JP3893841B2 - ダイヤフラム及びダイヤフラムポンプ並びにダイヤフラムの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイヤフラム及びダイヤフラムポンプ並びにダイヤフラムの製造方法に関する。具体的には、小型のダイヤフラムポンプにおける流量、圧力の増大を図ることができるダイヤフラムの構造及び当該ダイヤフラムを用いたダイヤフラムポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２２は従来のダイヤフラムポンプの一例を示す分解斜視図、図２３は当該ダイヤフラムポンプの概略的断面構造図である。当該ダイヤフラムポンプＨは、排気路２及び吸気路３が形成された筐体１と、筐体１との間でポンプ室７を形成するためのダイヤフラム１０とから構成されている。筐体１は、上部筐体２０と下部筐体３０とから構成されており、ほぼ平面視正方形状に形成されている。また、筐体１内部には、排気路２及び吸気路３が設けられており、筐体１側面には排気路２及び吸気路３と外部のパイプ（図示せず）を接続するための接続部４が延設されている。
【０００３】
下部筐体３０には、排気路２を形成する排気路用溝部３２と吸気路３を形成する吸気路用溝部３７とが凹設されている。排気路用溝部３２の一端は、下部筐体３０側面に突設された接続部４形成用の突起部３１に延設されており、その他端には、排気バルブ部５を形成するための略円筒状の凹部３３が形成されている。また、吸気路用溝部３７の一端も、下部筐体３０側面に突設された接続部４形成用の突起部３６に延設されており、その他端にも、吸気バルブ部６を形成するための略円筒状の凹部３８が形成されている。また、吸気バルブ部６用の凹部３８の中央には、円筒状をした台座３９が形成されている。
【０００４】
上部筐体２０は下部筐体３０とぴったりと重ね合わせられる形状をしており、上部筐体２０には、下部筐体３０の突起部３１，３６と対向して、接続部４形成用の突起部２１，２６が備えられている。また、上部筐体２０の裏面側には、排気バルブ部５用の凹部３３と対向する凹部２３及び吸気バルブ部６用の凹部３８と対向する凹部２８が形成されている。また、排気バルブ部５用の凹部２３ほぼ中央には、円筒状の台座２４が形成されている。さらに、当該上部筐体２０には、排気バルブ部５用の凹部２３から上部筐体２０上面に貫通する貫通穴２５が形成されている。また、吸気バルブ部６用の凹部２７からも上部筐体２０上面に貫通する貫通穴２９が形成されている。従って、上部筐体２０と下部筐体３０を重ね合わせられることにより、筐体１に排気路２及び吸気路３並びに接続部４が構成される。なお、上部筐体２０と下部筐体３０は、接着剤等を用いることにより、漏れがないように接合される。
【０００５】
これら上部筐体２０と下部筐体３０の間には、排気バルブ５ａ並びに吸気用バルブ６ａを構成するフィルム４０が挟み込まれる。当該フィルム４０は、上部筐体２０並びに下部筐体３０に形成された凹部２３，２８，３３，３８の位置に合わせて、バルブ形成用の穴４１が２つ開設されている。当該穴４１は、上記２つの台座２４，３９よりも小さく設計されている。
【０００６】
この結果、上部筐体２０及び下部筐体３０に形成された２つの排気バルブ部５用の凹部２３，３３と、上部筐体２０に形成された凹部２３内の台座２４と、上記フィルム４０によって、排気バルブ部５が形成される。また、上部筐体２０及び下部筐体３０に形成された２つの吸気バルブ部６用の凹部２８，３８と、下部筐体３０に形成された凹部３８内の台座３９と、上記フィルム４０によって、吸気バルブ部６が形成される。さらに、筐体１に排気路２及び吸気路３並びに接続部４が構成される。
【０００７】
このようにして、ポンプ本体となる筐体１が形成される訳であるが、この筐体１の上面に、略円形状をした薄膜状のダイヤフラム１０が、接着剤９を用いてその周囲が上部筐体２０の上面に接合される。こうして、ダイヤフラムポンプＨが構成され、筐体１の上面とダイヤフラム１０との間にポンプ室７が形成される。
【０００８】
このような構造をしたダイヤフラムポンプＨにおいては、ダイヤフラム１０を上下に振動させることによりダイヤフラム１０を屈曲運動させ、ポンプの機能を発揮させることができる。
【０００９】
次に、当該ダイヤフラムポンプＨにおいて、吸気路３から空気を吸入し、排気路２から排気させる動作について説明する。まず、図２４（ａ）（ｂ）に示すように、ダイヤフラム１０を膨らませることにより、大気が吸気バルブ６ａを押し上げ、吸気バルブ部６が開となる。この結果、吸気路３から大気がポンプ室７へと流れる。このとき、排気バルブ５ａはダイヤフラム１０の膨張により上方に吸い上げられ、排気バルブ部５は閉となる。
【００１０】
次に、図２５（ａ）（ｂ）に示すように、ダイヤフラム１０を元の状態に収縮させることにより、大気が排気バルブ５ａを押し下げ、排気バルブ部５が開となる。この結果、ポンプ室７から大気が排気路２へと流れる。このとき、吸気用バルブ６ａはダイヤフラム１０の収縮により下方に押し下げられ、吸気バルブ部６は閉となる。
【００１１】
このダイヤフラム１０においては、排気側の圧力が低い場合には、ダイヤフラム１０がポンプ室７を押し下げた分排気されるが、排気側の圧力が上昇するに従い、ポンプ室７が膨らんだ時と圧縮された時のポンプ室７の体積変化による大気の圧力増加と排気側の圧力の差圧によって、流量が決定される。
【００１２】
一方、ポンプ室７が膨らんだ時と圧縮された時のポンプ室７の体積変化による大気の圧力増加が、排気側の圧力と等しくなった時に、流量がゼロとなり、圧力が飽和した状態（最大圧力）となる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このダイヤフラム１０の駆動方法として、モータを利用してポンプ室を形成させる場合と、圧電素子から構成されたダイヤフラム１０を延伸させてポンプ室を形成させる場合とがあった。
【００１４】
モータを利用して小型のダイヤフラムポンプＨを作製する場合、小型のモータを利用する必要があるが、モータを非常に小さくした場合には、モータの効率が低下する。また、モータの回転をダイヤフラム１０に伝えるため、ダイヤフラム１０との間の摺動面において、発熱を生じるという問題を生じていた。このために、放熱などの対策を考える必要があった。
【００１５】
一方、圧電素子を利用して小型のダイヤフラムポンプＨを作製する場合には、モータを利用した場合のように、摺動面がなく発熱について考慮する必要がない。従って、小型のダイヤフラムポンプＨでは、圧電素子を用いた方が有利である。
【００１６】
しかしながら、圧電素子を利用した場合、圧電素子の伸縮量が小さいため、ダイヤフラム１０の大きな膨張は望むことができず、流量を大幅に増大させることは非常に困難なものであった。
【００１７】
このとき、流量を増大させるためには、駆動周波数を大きくすることも考えられるが、駆動周波数の増大にも限界があり、機械的強度が十分に対応できないという問題点もあった。
【００１８】
本発明は叙上の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、流量及び圧力の大きな小型のダイヤフラムポンプを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るダイヤフラムは、誘電分極により延伸する電歪ポリマーからなる薄膜部と、当該薄膜部の上下面に備えられた電極部とを具備することを特徴としている。
【００２０】
当該ダイヤフラムにおいては、例えば、いずれか一方の電極部を、金属薄膜から作製することができ、いずれか一方の電極部の全面若しくは周縁部に、弾性板を備えることもできる。
【００２１】
また、いずれか一方の面において、該薄膜部の周縁領域が、該周縁領域の内部領域よりも厚く作製するのが好ましい。
【００２２】
これらのダイヤフラムにおいては、前記薄膜部の周縁部に、電極部の形成されていない固定領域を設けるのが望ましい。
【００２３】
また、本発明においては、複数の電極部と複数の薄膜部とを交互に積層し、薄膜部を電極部に挟み込むように構成することもできる。
【００２４】
次に、本願第１の発明に係るダイヤフラムポンプは、通気路及び排気路が形成された筐体とダイヤフラムとを備え、筐体と当該筐体上に凸に膨らんだダイヤフラムとの間にポンプ室が形成されるダイヤフラムポンプにおいて、前記ダイヤフラムは、上記本発明に係るダイヤフラムであることを特徴としている。
【００２５】
このとき、ダイヤフラムに張力を掛けた状態で、前記ダイヤフラムを筐体側面に接合するのが望ましい。
【００２６】
また、このダイヤフラムポンプにおいて、前記薄膜部の周縁部に、電極部の形成されていない固定領域が設けられたダイヤフラムを用いて、当該ダイヤフラムに張力を掛けた状態で、前記固定領域を筐体の側面に接合するのが好ましく、さらに、前記筐体を上部筐体と下部筐体とから構成し、前記固定領域の少なくとも端部を、前記上部筐体と前記下部筐体との間に挟み込むようにするのがよい。
【００２７】
次に、本願第２の発明に係るダイヤフラムポンプは、通気路及び排気路が形成された筐体と本発明に係るダイヤフラムとを備え、筐体にポンプ室を構成する凹部が形成されたダイヤフラムポンプにおいて、ダイヤフラムが凹部内に屈曲可能になったことを特徴としている。
【００２８】
また、当該ダイヤフラムポンプにおいては、前記筐体上面に、前記ダイヤフラムが外側に屈曲するのを防ぐ変位防止板を備えるのが好ましい。
【００２９】
本願第１の発明に係るダイヤフラムの製造方法は、誘電分極により延伸する電歪ポリマーからなる薄膜部と、当該薄膜部の上下面に備えられた金属製の電極部とを具備するダイヤフラムの製造方法であって、前記電極部を、蒸着やスパッタリングなどの物理蒸着法により形成することを特徴としている。
【００３０】
また、本願第２の発明に係るダイヤフラムの製造方法は、誘電分極により延伸する電歪ポリマーからなる薄膜部と、当該薄膜部の上下面に備えられた電極部と、何れか一方の電極部の上面に形成された金属製の弾性板とを具備するダイヤフラムの製造方法であって、前記弾性板を、蒸着やスパッタリングなどの物理蒸着法により形成することを特徴としている。
【００３１】
これらのダイヤフラムの製造方法においては、前記蒸着対象面に、予め改質処理を施しておき、その後に物理蒸着するのが好ましい。また、予め、蒸着対象面にマスクを備えた後、物理蒸着を施し、その後マスクを除去することにより、該ダイヤフラムに薄肉部を形成することにしてもよい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照しながら、本発明について詳細に説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施の形態に係るダイヤフラム１０を示す説明図であって、同図（ａ）はその斜視図、同図（ｂ）はその断面構造図である。本発明に係るダイヤフラム１０は、誘電分極により延伸する電歪ポリマーからなる薄膜部１１の上下面に電極部１２が備えられた構造をしている。薄膜部１１は、ダイヤフラム１０の中心構造をなすものであって、電圧が印加されていない状態で平板状をしている。
【００３４】
この薄膜部１１に用いられる電歪ポリマーとは、電圧が印加されることにより延伸し、印加電圧を除去することにより元の状態に戻る性質を有するポリマーを意味し、具体的には、シリコンゴムやアクリル樹脂などを挙げることができる。この電歪ポリマーは、その材質にもよるが、従来の圧電素子が約０．１％程度の伸びに対して、最大約４００％の伸びることができるものである。すなわち、本発明においては、この延伸性を利用することにより、ダイヤフラム１０の屈曲変位量を増大させることにより、ポンプの性能として大流量化及び最大圧力の増大を図ろうとするものである。従って、この目的を達成できるものであれば、シリコンゴムやアクリル樹脂に限定されることなく使用できる。
【００３５】
この薄膜部１１の上下面には、当該薄膜部１１に電圧を印加するための電極部１２が形成される。当該電極部１２は、薄膜部１１の全面に形成されているが、必ずしもその全面に形成する必要もなく、薄膜部１１の延伸を十分に行うための電圧を印加できる程度であれば、その一部領域にほぼ円形状に形成することにしてもよい。当該電極部１２の材質としては、薄膜部１１の延伸を阻害するものでなければ、その材質は特に制限させるものではないが、ポリマーとの結合性を考慮すれば、例えば、シリコンゴムなどの弾性ポリマーにカーボンブラックなどの導電性粉体を混合させたものを好適に用いることができる。
【００３６】
当該ダイヤフラム１０は、従来のダイヤフラム１０と同様にして用いられ、例えば、図２３に示すような筐体１上にその周縁部が接着剤９等により接合され、本発明に係るダイヤフラムポンプＢ（図１０（ａ）参照）が作製される。
【００３７】
このダイヤフラム１０の両電極部１２には、一定周波数の交流電圧が印加される。このとき、電圧が印加された状態において、電歪ポリマーが分極して、電極間が引き合うようになる。この結果、印加電圧の大きさに応じて、図２に示すように薄膜部１１がその周囲方向に延伸される。従って、ダイヤフラム１０が屈曲され、従来のダイヤフラムポンプＨと同様に、筐体１上面に上に凸となったポンプ室７が形成される。このとき、直流電圧が印加された状態を想定すると、従来の圧電材料１００を用いた場合、図３（ａ）に示すように、その周囲方向には約０．１％程度の伸びしか示さないが、本発明のダイヤフラム１０を用いた場合には、図３（ｂ）に示すように、最大約４００％の伸びを示すことになる。また、電圧を除加した場合には、元のように平坦な形状に戻る。この結果、ポンプ室７の容量が増大され、給排気１回あたりの吐出量が増大される。従って、小型にも拘らず、流量が大きく、しかも最大圧力の大きなダイヤフラムポンプを得ることができる。なお、当該電歪ポリマーは、電圧が印加されることにより一方向のみに延伸され、極性を反対にした場合にも、収縮されることがない。このため、交流電圧を印加することにより、周波数の２倍の速さでダイヤフラム１０が屈曲（振動）することになる。
【００３８】
当該ダイヤフラム１０においては、様々な応用例が考えられる。次に図４に示すダイヤフラム１０においては、上記電極部１２のうち何れか一方のみが、導電性の弾性を有する金属薄膜から作製されている。この結果、ダイヤフラム１０の屈曲変位量は、導電性を有する弾性ポリマーを用いた場合に比べて小さくなるが、薄膜部１１の復元力のみならず、金属薄膜の復元力が加わり、ダイヤフラム１０全体の復元力が増大される。すなわち、導電性を有する弾性ポリマーから電極部１２を作製した場合には、膨らんだ薄膜部１１の弾性力以上の復元力が発生せず、自ずと排気時の圧力が比較的弱いものに制限される。この点、当該ダイヤフラム１０においては、金属薄膜の復元力により排気時に発生する圧力が増強され、ポンプの最大圧力を増大できる。従って、より強い圧力を得たい場合には好適な方法となる。
【００３９】
この金属薄膜は通常接着剤を用いることによって薄膜部１１に貼着されるが、これ以外に、例えば、蒸着やスパッタリングなどの物理蒸着法（Physical Vapor Deposition、ＰＶＤ法）によって、形成することもできる。ここにおいて、物理蒸着法とは、物理的手段を用いた膜析出法を意味するものであり、一般に真空に近い減圧下においてガス化した物質で対象物表面を被覆する方法を意味する。
【００４０】
図５に示すものは、当該方法を実施するための蒸着装置５０の一具体例を示す概略的構成図である。この蒸着装置５０は、蒸着を行なうためのチャンバー５１と、対象物を載置するホルダー５２と、被覆膜（ここでは、電極部１２）を形成する蒸着物質を供給するためのターゲット５３と、ターゲット５３からチャンバー５１内に蒸着物質を提供するための電源回路５４及び真空ポンプ（図示せず）とから構成されている。電源回路５４は、ターゲット５３とチャンバー５１との間に構成されており、直流電源５５から電圧を印加することにより、ターゲット５３からチャンバー５１内に蒸着物質が供給される。また、この蒸着装置５０においては、チャンバー５１とホルダー５２との間に、被着体の改質処理を行なうための制御回路５６が構成されている。この制御回路５６は、高周波電源５７とブロッキングコンデンサ５８及びマッチングボックス５９とを備えており、制御回路５６によりホルダー５２に所望の高周波電圧が印加され、チャンバー５１内にプラズマを発生させることができる。
【００４１】
このような蒸着装置５０を用いることにより、金属薄膜からなる電極部１２を至極簡単に作製できる。具体的に説明すると、まず、チャンバー５１内のホルダー５２上に薄膜部１１を載置し、真空ポンプにて、概ね１０<SUB>-4</SUB>Ｐａ程度に減圧した後、アルゴンガスをチャンバー５１内に導入し、チャンバー５１内をアルゴンガス置換する。このとき、約１０Ｐａ程度の気圧となるようにアルゴンガスを導入する。なお、アルゴンガス以外にも、酸素、窒素、及び酸素若しくは窒素とアルゴンガスとの混合ガスを用いることもできる。
【００４２】
次に、制御回路５６をオンして、ホルダー５２に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ（３分間程度）、薄膜部１１の表面にイオンボンバードによる洗浄を施し、改質処理を行なう。その後、制御回路５６をオフし、真空ポンプにて０．２Ｐａ程度にまでチャンバー５１内を排気する。
【００４３】
そして、次に電源回路５４をオンし、ターゲット５３に直流電圧を印加して、スパッタリングを行い、電極部１２となる金属薄膜を形成する。なお、膜厚の調整はスパッタリングの時間の調整により行なわれる。
【００４４】
このような蒸着装置５０により、簡単に薄い電極部１２を形成することができる。しかも、接着剤で貼着する場合には接着剤の厚みを均一に担保することが困難であるが、この物理蒸着法を用いれば、均一な膜厚となり、一定した品質のダイヤフラム１０を容易に提供できる。また、その厚みを自由に設定することもできる点でも好都合である。
【００４５】
また、上記方法では、スパッタリングの前処理、すなわち改質処理としてプラズマ処理が施されており、この結果、薄膜部１１表面に官能基が形成されるため、電歪ポリマーと金属薄膜との密着性が向上される。
【００４６】
このダイヤフラム１０の筐体１への接合に際しては、金属薄膜から作製された電極部１２の周縁部を筐体１上面に接合するのが望ましい。この結果、ダイヤフラム１０の屈曲方向が上に凸方向に限定され、ダイヤフラム１０の屈曲運動をよりスムーズに行わせることも可能になる。
【００４７】
図６（ａ）（ｂ）に示すダイヤフラム１０においては、薄膜部１１の何れか一方の面において、電極部１２の表面に薄膜状の弾性板１３が備えられている。この弾性板１３は、絶縁体だけでなく、金属などからも作製できる。このダイヤフラム１０は、弾性板１３の周縁部が筐体１の上面に接合される。この結果、屈曲変位量は弾性板１３がない場合に比べて小さくなり、ポンプの流量が少なくなるが、上記第２の実施の形態と同様に、復元力が増大され、最大圧力の増加を図ることができる。また、本実施の形態においても、ダイヤフラム１０の屈曲運動が上に凸方向に限定され、ダイヤフラム１０の屈曲運動をよりスムーズに行わせることができる。
【００４８】
このような弾性板１３を形成する場合にあっても、図５に示す蒸着装置５０を使用すれば、容易に形成できるものである。このとき、絶縁体による弾性板１３を作製する場合には、電源回路５４には直流電源５５の替わりに交流電源を使用すると共にターゲット５３として絶縁物を用いて、いわゆるＲＦスパッタリングを行なえば足りる。
【００４９】
さらに、図７（ａ）（ｂ）に示すダイヤフラム１０においては、前記弾性板１３は、薄膜部１１の周縁部にのみ備えられている。この結果、弾性板１３がない場合に比べてより大きな復元力がダイヤフラム１０に発生させることができる。また、それとともに、弾性板１３のない領域においては膨らみやすく、薄膜部１１の全面に弾性板１３を備えた場合に比べ、屈曲変位量を大きくできる。この結果、流量を比較的増大させることができ、最大圧力だけでなく、流量をもある程度増大させたい場合には好都合なものである。
【００５０】
この弾性板１３は、その全面を筐体１全面に接合することもできるが、この場合には、屈曲できるダイヤフラム１０の面積が小さくなる。従って、弾性板１３の一部領域を接合するようにするのが望ましい。もちろん、この実施の形態においても、ダイヤフラム１０の屈曲運動をよりスムーズに行わせることができるのは言うまでもない。
【００５１】
この弾性板１３も上記物理蒸着法により作製できるが、特に物理蒸着法はこのように部分的な膜形成に好適な方法であり、物理蒸着法を用いることにより、非常に簡単にしかも効率良く当該ダイヤフラム１０を得ることができる。
【００５２】
これらのダイヤフラム１０においては、上記したように、ダイヤフラム１０の周縁部が筐体１の上面に接合される訳であるが、このとき、ダイヤフラム１０に外周方向に張力を掛けて接合するのが好ましい。このように張力を掛けて接合することにより、延伸されたダイヤフラム１０が元の状態に戻る際に、より大きな復元力が発生することになる。この結果、ダイヤフラムポンプＢの最大圧力が増大される。
【００５３】
このとき、例えば図８に示すダイヤフラムポンプＡの如く、薄膜部１１のみを筐体１の本体の側面に固定することにすれば、簡単な手法により張力を掛けてダイヤフラム１０を接合できる。すなわち、このダイヤフラム１０においては、図９（ａ）（ｂ）に示すように、薄膜部１１の周縁領域に、電極部１２の形成されていない固定領域１４が設けられている。ダイヤフラム１０の接合時には、張力が掛けられた状態で固定領域１４が筐体１の側面に接合される。従って、電極部１２は少なくとも筐体１上面とほぼ同じ領域若しくはそれよりも小さな領域に形成される必要があるが、ダイヤフラム１０の屈曲を考慮すれば、固定領域１４の内縁と筐体１の外周とを一致させるのが望ましい。このとき、固定領域１４は筐体１上部の角において位置決めされ、固定領域１４の一部を筐体１側面に固定した後張力を掛けることにすればよく、このような構造であれば張力を掛けた状態を維持しながら簡単に接合できる。
【００５４】
この結果、図１０（ａ）に示すように、筐体１の上面で接合する場合には、接合付近においては、ダイヤフラム１０が十分に屈曲変形できないが、筐体１側面にて固定する方法を採用すれば、図１０（ｂ）に示すように、筐体１上面では拘束されることがなく、筐体１の端部から屈曲変形が可能になる。すなわち、筐体１上面では自由端に近い構造となるため、ポンプ室７の容量が大きくなり、より一層流量が増大される。しかも、筐体１側面での接合位置を一定にすることにより、張力の再現性を確実に確保でき、安定した品質のものを供給できるというメリットもある。また、筐体１上部の角において、シール性が確保されるため、筐体１の側面への漏れを防ぐこともできる。
【００５５】
また、図１１に示すものは、さらに本発明の別な実施の形態に係るダイヤフラムポンプＣの分解斜視図、図１２は当該ダイヤフラムポンプＣを一部破断した概略的断面構造図である。このダイヤフラムポンプＣも、従来のダイヤフラムポンプＨとほぼ同様な構成をしており、筐体１を形成する上部筐体２０及び下部筐体３０、排気バルブ５ａ及び吸気バルブ６ａを形成するためのフィルム４０並びに本発明に係るダイヤフラム１０から構成されている。
【００５６】
このダイヤフラム１０は、図９に示すダイヤフラム１０と同様に、上部筐体２０よりも大きく作製されており、上部筐体２０の上面に対応する領域には電極部１２が設けられ、その外周部に固定領域１４が形成されている。また、接続部４に対応する領域には、切欠き１５が設けられている。
【００５７】
この下部筐体３０の上部周縁部には、段差部３５が形成されている。当該段差部３５は、ほぼ薄膜部１１の厚みとほぼ同じ高さに作製されており、上部筐体２０との間に薄膜部１１を挟み込める構造となっている。
【００５８】
このような構造を採用することにより、ダイヤフラムポンプＣの組立て時には、上部筐体２０の裏面側にダイヤフラム１０を巻き込んで仮固定した後、下部筐体３０と接合できる。従って、上部筐体２０と下部筐体３０の接合時に、ダイヤフラム１０の接合を同時に行え、組み立て工程が簡略化される。
【００５９】
もちろん、上部筐体２０の下部周縁部に段差部３５を設けることも考えられるが、この場合には、上部筐体２０の下面に固定領域１４を接合することになるため、接合作業が却って困難になり、好ましい実施の形態ではない。
【００６０】
図１３は本発明のさらに別な実施の形態に係るダイヤフラムポンプＤを示す図であって、同図（ａ）はその概略的断面構造図、同図（ｂ）はその平面図である。当該ダイヤフラムポンプＤのダイヤフラム１０は、その何れか一方の面において、接合部近傍の薄膜部１１の周縁領域に、肉厚の厚肉部１６が作製され、その内部領域において当該厚みよりも肉薄になった薄肉部１７が設けられており、残る一方の面は平坦面となっている。このダイヤフラム１０において、厚肉部１６及び薄肉部１７と、電極部１２との位置関係は特に問われるものではなく、例えば、図１３に示すものでは、薄肉部１７にのみ電極部１２が構成され、厚肉部１６はそれよりも厚くなるように作製されている。このダイヤフラム１０は、厚肉部１６の平坦面が筐体１上面に接合される。
【００６１】
このように接合部近傍の周縁部が厚く、中央領域が薄くなったダイヤフラム１０を用いることにより、ダイヤフラム１０の復元力を増大させることができる。すなわち、ダイヤフラム１０の厚み増加による影響は、動作電圧を大きくすることで対応することが可能であり、ダイヤフラム１０の復元時には、接合部近傍の厚みが大きいため復元力が大きくなる。従って、薄肉部１７全体の膜厚を増加する場合に比べて、動作効率の向上を図ることができる。
【００６２】
また、図１４に示すダイヤフラム１０のように、均一な厚さの薄膜部１１の片面に均一な膜厚の電極部１２を形成し、残る薄膜部１１の片面に厚みの異なる電極部１２を形成して、厚肉部１６と薄肉部１７とを作製することもできる。
【００６３】
当該ダイヤフラム１０は、例えば、上記した蒸着装置５０を用いて、次の製造工程により簡単に得ることができる。図１５は、当該製造工程を示す図であるが、まず、上記何れかの方法により、薄膜部１１の片面に電極部１２を形成する。次に残る薄膜部１１の片面にＰＶＤにより極薄い金属薄膜１８ａを薄膜部１１の全面に形成する（図１５（ａ））。次に、図１５（ｂ）に示すように、薄肉部１７となる領域にマスク１９を形成し、さらにＰＶＤによりほぼマスク１９と同じ高さにまで金属膜１８を形成する（図１５（ｃ））。そして、マスク１８を除去することにより、当該ダイヤフラム１０を得ることができる（図１５（ｄ））。もちろん、均一な膜厚の金属膜を形成した後にエッチングをして薄肉部１７を形成してもよいが、エッチング法によれば時間及び手間が掛かる。しかしながら、この方法によればこのような欠点がなく、簡単に効率的に作製できる。
【００６４】
また、図１６は本発明のさらに別な実施の形態に係るダイヤフラムポンプＥを示す断面図である。当該ダイヤフラムポンプＥにおいては、筐体１の上部、すなわち上部筐体２０の上部には、ポンプ室７を形成するための凹部８が形成されており、その周縁部にダイヤフラム１０の周縁部が接合されている。当該ダイヤフラム１０は、薄肉部１７の上下面に、導電性を有する弾性ポリマーから形成された電極部１２が形成されている。さらに、ダイヤフラム１０の上面には、変位防止板６０が備えられている。この変位防止板６０は、絶縁性を有する剛性の高いプラスチック性材料などから作製され、ダイヤフラム１０が凹部８と反対側に屈曲変位するのを防止する役割を果たすものである。
【００６５】
すなわち、この変位防止板６０によりダイヤフラム１０が下に凸に屈曲されるように構成され、当該ダイヤフラムポンプＥにおいては、図１７（ａ）に示すように、電圧が印加された状態でダイヤフラム１０が下に凸に屈曲して、排気動作が行われる。また、図１７（ｂ）に示すように、電圧が印加されていない状態でポンプ室７が形成され、吸気動作が行われるようになっている。
【００６６】
このような構成を採用することにより、ダイヤフラム１０の屈曲により排気動作が行われ、排気時の圧力を増加することが可能になる。また、上に凸の状態でポンプ室７が形成される場合（例えば、図８に示すようなダイヤフラムポンプＡ）には、最大圧力を増加させるために弾性板１３を設置したり、金属薄膜から電極部１２を作製すると、屈曲変位量が低下して流量の増大を十分に図れることができない。しかしながら、このように下に凸に屈曲されるような構成であれば、屈曲変位量を十分に取ることができ、流量低下の問題を考慮することなく圧力の増大を図ることができる。
【００６７】
次に図１８に示すダイヤフラムポンプＦにおいては、いずれか一方の面において、該薄膜部１１の周縁領域が、該周縁領域の内部領域よりも厚くなったダイヤフラム１０が用いられている。すなわち、当該ダイヤフラム１０においては、露出面（上面側）において、接合部近傍の薄膜部１１の周縁領域に、肉厚の厚肉部１６が作製され、その内部領域において当該厚みよりも肉薄の薄肉部１７が設けられ、残る一方の面は平坦面となっている。そして、この平坦面の周縁領域が筐体１上面に接合されている。従って、当該ダイヤフラム１０は、凹部８側に屈曲されやすくなっている。
【００６８】
このような構成とすることにより、変位防止板６０が不要となり、変位防止板６０を用いる場合に比べ、組み立て作業を簡略化すると共にダイヤフラムポンプＦが大きくならずに済むという利点がある。
【００６９】
また、図１４に示すように、薄膜部１１の片面に電極部１２を兼ねた金属薄膜を形成し、厚肉部１６と薄肉部１７とを構成したダイヤフラム１０を用いて、ダイヤフラム１０を凹部８側に屈曲させることにしてもよい。
【００７０】
もちろん、何れか一方の電極部１２に金属薄膜を用いたダイヤフラム１０（図４参照）を用いて、金属薄膜を露出させるようにして接合したり、あるいは何れか一方の電極部１２に弾性板１３を備えたダイヤフラム１０（図６参照）を用いて、弾性板１３を露出させるようにして接合することも考えられる。
【００７１】
次に図１９に示すダイヤフラム１０では、３枚の電極部１２ａ，１２ｂ，１２ｃと２枚の薄膜部１１ａ，１１ｂが交互に積層され、いわゆるサンドイッチ構造をなしている。このダイヤフラム１０では、第１の薄膜部１１ａは、第１の電極部１２ａと第２の電極部１２ｂによって挟み込まれ、当該２つの電極部１２ａ，１２ｂ間の印加電圧１によって延伸される。また、第２の薄膜部１１ｂは、第２の電極部１２ｂと第３の電極部１２ｃによって挟み込まれ、当該２つの電極部１２ｂ，１２ｃ間の印加電圧２によって延伸される。
【００７２】
このダイヤフラム１０においては、印加電圧１のみを加える、若しくは印加電圧１が印加電圧２よりも大きくなるように電圧を加えることにより、第１の薄膜部１１ａの延伸量が第２の薄膜部１１ｂの延伸量よりも大きくなり、図２０（ａ）に示すように、上に凸の状態に屈曲する。これとは反対に、印加電圧２のみを加える、若しくは印加電圧２が印加電圧１よりも大きくなるように電圧を加えることにより、第２の薄膜部１１ｂの延伸量が第１の薄膜部１１ａの延伸量よりも大きくなり、図２０（ｂ）に示すように、下に凸の状態に屈曲する。
【００７３】
このダイヤフラム１０を、凹部８が形成された筐体１に適用してダイヤフラムポンプＧを作製することにより、下に凸の状態に屈曲させることにより、図２１（ａ）に示す如く排気動作が行なわれる。また、上に凸の状態に屈曲させることにより、図２１（ｂ）に示す如く吸気動作が行われる。
【００７４】
このようなダイヤフラム１０を用いることにより、屈曲変位量が飛躍的に増大、つまり上記各実施の形態に比べてほぼ倍増され、流量の増大及び最大圧力の増大を図ることができる。また、印加電圧１及び印加電圧２を調整することにより、ダイヤフラム１０を上に屈曲させるか、下に屈曲させるかを調整できる。このため、所望する動作を容易に行わせることができ、ダイヤフラム１０の汎用性を高めたり、当該ダイヤフラム１０を用いたダイヤフラムポンプＧの汎用性を高めることも可能になる。
【００７５】
また、この実施の形態においては、凹部８が形成された筐体１を用いた場合について説明したが、凹部８が形成されず、上面が平坦になった筐体１に適用できるのは言うまでもない。
【００７６】
このように、本発明においては、誘電分極により延伸される電歪ポリマーを用いてダイヤフラム１０の中心的構造である薄膜部１１を作製しているため、従来の圧電素子を用いた場合に比べて、ダイヤフラム１０の屈曲変位量を増大できる。このようなダイヤフラム１０を用いることにより、ダイヤフラムポンプの流量及び最大吐出圧力を増大させることができる。
【００７７】
また、本発明のダイヤフラムポンプは、気体のみならず、液体などその他の流体に用いることができるのは言うまでもない。
【００７８】
【発明の効果】
本発明のダイヤフラムにあっては、薄膜部に誘電分極により延伸する電歪ポリマーを用いているため、従来の圧電素子に比べて非常に大きな延伸量を得ることができる。このため、ポンプ室容量が増大される結果、一回吐出量が多くなり、流量の増大及び最大圧力の増大を図ることができる。
【００７９】
このとき、いずれか一方の電極部を金属薄膜から作製することにより、ダイヤフラムの復元力が増大し、最大圧力がより一層向上される。
【００８０】
また、いずれか一方の電極部の全面若しくは周縁部に弾性板を備えることにより、最大圧力をより一層向上させることができる。
【００８１】
さらに、いずれか一方の面において、該薄膜部の周縁領域が、該周縁領域の内部領域よりも厚く作製することにより、ダイヤフラムの復元力が増大するだけでなく、電極部を金属薄膜から作製したり、電極部の全面に弾性板を備える場合に比べ、ダイヤフラムの最大変位量を増加させることができる。従って、最大圧力だけでなく流量をも増大させたい場合には、好適な方法となる。
【００８２】
これらのダイヤフラムにおいて、ダイヤフラムに張力を掛けた状態で筐体に接合することにより、より一層効果的に最大圧力を増加させることができる。
【００８３】
このとき、前記薄膜部の周縁部に、電極部の形成されていない固定領域が設けられたダイヤフラムを用いて、当該ダイヤフラムに張力を掛けた状態で、前記固定領域を側面に接合すると、ダイヤフラムの復元力が増大するだけでなく、自由端にしたのとほぼ同じ効果が得られ、筐体上面全体にポンプ室が形成される。従って、より大きな流量及び最大圧力が得られるダイヤフラムポンプとすることができる。また、このような構成とすることにより、均一な張力を得ることができ、品質的に安定したダイヤフラムポンプを提供できる。
【００８４】
さらに、前記筐体を上部筐体と下部筐体とから構成し、前記固定領域の少なくとも端部を、前記上部筐体と前記下部筐体との間に挟み込むようにすれば、上部筐体の裏面側にて固定領域を仮固定した後、筐体の接合と同時にダイヤフラムの接合も行なえる。この結果、ダイヤフラムに張力を掛けた状態で、ダイヤフラムポンプの組立作業を容易に行なえる。
【００８５】
また、複数の電極部と複数の薄膜部とを交互に積層し、薄膜部を電極部に挟み込むようにすれば、薄膜部を挟み込む電極部間に印加する電圧を調整することにより、ダイヤフラムの変位方向、変位量を自由に調整できる。この結果、所望する動作を容易に行わせることができ、ダイヤフラムの汎用性、ダイヤフラムポンプの汎用性を高めることができる。
【００８６】
さらに、筐体に凹部が形成されたダイヤフラムポンプにおいて、ダイヤフラムを凹部内に屈曲可能に構成することにより、ダイヤフラムの延伸時に排気動作を行わせることができ、最大圧力の低下を減少させることができる。
【００８７】
例えば、変位防止板を備えることにより、ダイヤフラムの外面側に屈曲するのを防止できる。
【００８８】
本発明によるダイヤフラムの製造方法によれば、電極部あるいは弾性板は物理蒸着法により作製されるため、均一厚さの電極部あるいは弾性板を作製できる。このため、品質的に安定したダイヤフラムを提供でき、信頼性の高いダイヤフラムポンプを提供できる。
【００８９】
特に、前記蒸着対象面に、予め改質処理を施しておくことにより、電極部と薄膜部との接合性を高めたり、電極部と弾性板との接合性を高めることができる。
【００９０】
また、予め、蒸着対象面にマスクを備えた後、物理蒸着を施し、その後マスクを除去することにより、該ダイヤフラムに薄肉部を至極簡単に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るダイヤフラムを示す説明図であって、同図（ａ）はその斜視図、同図（ｂ）はその断面構造図である。
【図２】同上のダイヤフラムの動作を示す説明図である。
【図３】同上のダイヤフラムの利点を示す比較説明図であって、同図（ａ）は従来例における説明図、同図（ｂ）は本発明における説明図である。
【図４】本発明の別な実施の形態に係るダイヤフラムを示す説明図であって、同図（ａ）はその斜視図、同図（ｂ）はその断面構造図である。
【図５】本発明のダイヤフラムの製造に用いられる蒸着装置の一例を示す概略構成図である。
【図６】本発明のさらに別な実施の形態に係るダイヤフラムを示す説明図であって、同図（ａ）はその斜視図、同図（ｂ）はその断面構造図である。
【図７】本発明のさらに別な実施の形態に係るダイヤフラムを示す説明図であって、同図（ａ）はその斜視図、同図（ｂ）はその断面構造図である。
【図８】本発明の一実施の形態に係るダイヤフラムポンプの概略的断面構造図である。
【図９】本発明のさらに別な実施の形態に係るダイヤフラムを示す説明図であって、同図（ａ）はその斜視図、同図（ｂ）はその断面構造図である。
【図１０】図８に示すダイヤフラムポンプの利点を示す比較説明図であって、同図（ａ）は筐体上面で接合した場合における説明図、同図（ｂ）は筐体側面で接合した場合における説明図である。
【図１１】本発明の別な実施の形態に係るダイヤフラムポンプの分解斜視図である。
【図１２】同上のダイヤフラムポンプの一部破断した概略的断面構造図である。
【図１３】本発明のさらに別な実施の形態に係るダイヤフラムポンプを示す図であって、同図（ａ）はその概略的断面構造図、同図（ｂ）はその平面図である
【図１４】本発明のさらに別な実施の形態に係るダイヤフラムの断面構造図である。
【図１５】（ａ）〜（ｄ）は、同上のダイヤフラムの製造方法を示す説明図である。
【図１６】本発明のさらに別な実施の形態に係るダイヤフラムポンプの概略的断面構造図である。
【図１７】同上のダイヤフラムポンプにおける動作を示す説明図であって、同図（ａ）は排気動作を示す説明図、同図（ｂ）は吸気動作を示す説明図である。
【図１８】本発明のさらに別な実施の形態に係るダイヤフラムポンプの概略的断面構造図である。
【図１９】本発明のさらに別な実施の形態に係るダイヤフラムの断面構造図である。
【図２０】（ａ）（ｂ）はそれぞれ、同上のダイヤフラムの動作を示す説明図である。
【図２１】同上のダイヤフラムを用いたダイヤフラムポンプの動作を示す説明図であって、同図（ａ）は排気動作を示す説明図、同図（ｂ）は吸気動作を示す説明図である。
【図２２】従来例であるダイヤフラムポンプの一例を示す分解斜視図である。
【図２３】同上のダイヤフラムポンプの概略的断面構造図である。
【図２４】同上のダイヤフラムポンプにおける吸気動作を示す説明図であって、同図（ａ）はその概略的説明図、同図（ｂ）は吸気バルブ部を示す断面説明図である。
【図２５】同上のダイヤフラムポンプにおける排気動作を示す説明図であって、同図（ａ）はその概略的説明図、同図（ｂ）は排気バルブ部を示す断面説明図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ 本発明に係るダイヤフラムポンプ
１ 筐体
２ 排気路
３ 吸気路
４ 接続部
５ 排気バルブ部
６ 吸気バルブ部
７ ポンプ室
８ ポンプ室を形成するための凹部
９ 接合用の接着剤
１０ ダイヤフラム
１１ 薄膜部
１１ａ 第１の薄膜部
１１ｂ 第２の薄膜部
１２ 電極部
１２ａ 第１の電極部
１２ｂ 第２の電極部
１２ｃ 第３の電極部
１３ 弾性板
１４ 固定領域
１５ 切欠き
１６ 厚肉部
１７ 薄肉部
２０ 上部筐体
２１ 接続部形成用の突起部
２２ 排気路用の溝部
２３ 排気バルブ部用の凹部
２４ 排気バルブ部用の台座
２５ 排気路形成用の貫通穴
２６ 接続部形成用の突起部
２７ 吸気路用の溝部
２８ 吸気バルブ部用の凹部
２９ 吸気路形成用の貫通穴
３０ 下部筐体
３１ 接続部形成用の突起部
３２ 排気路用溝部
３３ 排気バルブ部用の凹部
３５ 段差部
３６ 接続部形成用の突起部
３７ 吸気路用溝部
３８ 吸気バルブ部用の凹部
３９ 吸気バルブ部用の台座
４０ フィルム
４１ バルブ形成用の穴
５０ 蒸着装置
５１ チャンバー
５２ ホルダー
５３ ターゲット
５４ 電源回路
５５ 直流電源
５６ 制御回路
５７ 高周波電源
５８ ブロッキングコンデンサ
５９ マッチングボックス
６０ 変位防止板

Claims (4)

1. 誘電分極により延伸する電歪ポリマーからなる薄膜部と、当該薄膜部の上下面の、薄膜部の延伸を十分に行うための電圧を印加できる程度より大きい領域に備えられた電極部とを具備し、いずれか一方の電極部の全面若しくは周縁部に、弾性板を備えたことを特徴とするダイヤフラム。
2. 誘電分極により延伸する電歪ポリマーからなる薄膜部と、当該薄膜部の上下面の、薄膜部の延伸を十分に行うための電圧を印加できる程度より大きい領域に備えられた電極部とを具備し、複数の電極部と複数の薄膜部とが交互に積層され、薄膜部が電極部に挟まれたことを特徴とするダイヤフラム。
3. 通気路及び排気路が形成された筐体とダイヤフラムとを備え、筐体と当該筐体上に凸に膨らんだダイヤフラムとの間にポンプ室が形成されるダイヤフラムポンプにおいて、
   前記ダイヤフラムは、請求項１または２のいずれかに記載のダイヤフラムであることを特徴とするダイヤフラムポンプ。
4. 誘電分極により延伸する電歪ポリマーからなる薄膜部と、当該薄膜部の上下面に備えられた電極部と、何れか一方の電極部の上面に形成された金属製の弾性板とを具備するダイヤフラムの製造方法であって、
   前記弾性板を、蒸着やスパッタリングなどの物理蒸着法により形成することを特徴とするダイヤフラムの製造方法。

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