圧電アクチュエータ及びこれを用いたポンプ
【課題】圧電体とメンブレン部を備えた圧電体支持体とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータにおいて、強度、及びアクチュエータとしての変位量をともに向上させることが可能な圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【解決手段】圧電体１とメンブレン部２ａを備えた圧電体支持体２とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータ１０であって、圧電体１と圧電体支持体２との間に隙間Ｓを形成して非接合部分を設けた。圧電体支持体２はシリコンで構成されている。圧電体支持体２は、メンブレン部２ａの周囲に厚肉部２ｂを備え、メンブレン部２ａ及び厚肉部２ｂそれぞれに圧電体１に向かって突出する台座３ａ、３ｂが形成され、該各台座３ａ、３ｂに圧電体１が接合されている。
【解決手段】圧電体１とメンブレン部２ａを備えた圧電体支持体２とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータ１０であって、圧電体１と圧電体支持体２との間に隙間Ｓを形成して非接合部分を設けた。圧電体支持体２はシリコンで構成されている。圧電体支持体２は、メンブレン部２ａの周囲に厚肉部２ｂを備え、メンブレン部２ａ及び厚肉部２ｂそれぞれに圧電体１に向かって突出する台座３ａ、３ｂが形成され、該各台座３ａ、３ｂに圧電体１が接合されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ、詳しくはダイヤフラム構造の圧電アクチュエータ及びこれを用いたポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータは、逆圧電効果すなわち外部から印加された電圧に応じて歪みを発生させる現象を利用したものであり、印加電圧の大きさにより、圧電体の伸縮を制御することができる。圧電体とこれを支持するシリコンからなる圧電体支持体で構成したダイヤフラム構造の圧電アクチュエータでは、通常、メンブレン部を含む圧電体支持体の上面に圧電体を直接接合している。
【０００３】
圧電アクチュエータの駆動用電極は、圧電体の上下両面に金属薄膜にて形成されている。これらの電極に電圧を印加すると、圧電体は面内方向に伸縮するが、圧電体に接合されている圧電体支持体は伸縮しないため、結果的に圧電体と圧電体支持体とが一体になって厚み方向に屈曲する。このような圧電アクチュエータの厚み方向の屈曲を利用したポンプを構成することもできる。
【０００４】
圧電アクチュエータの変位量を大きくするためには、圧電体をメンブレン部の全面に配置するよりも、圧電体の外形をメンブレン部の外形よりも小さくして圧電体をメンブレン部の中に納め、メンブレン部の周辺部での変形が大きくなるようにした方が、メンブレン部が厚み方向に大きく屈曲する。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている圧電ダイヤフラムポンプの圧電材と真鍮などの弾性板とからなるダイヤフラム（圧電体支持体）は、ダイヤフラムの周囲部を自由端部とする、周囲部を樹脂製部材でシールする、下部電極を兼ねる弾性板の外周部の剛性を中央部の剛性よりも小さくする、下部電極を兼ねる弾性板の面積を圧電材の面積よりも大きくすること等により、変位量を増大させている。
【特許文献１】特開２００１−６５４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されているダイヤフラム構造は、ダイヤフラムがシリコンで構成されたものではなく、金属など弾力性に富んだ材料で構成した場合に実現可能である。シリコンは壊れやすいため、メンブレン部が５０μｍ以下と薄い場合には、その周辺部のみを薄くすると、その箇所で破壊が容易に起こるため実用化できない。また、メンブレン部より内側に圧電体を配置すると、電極にリード線をワイヤボンディングにて接続する際に、メンブレン部が破損するなど、強度に問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、圧電体とメンブレン部を備えた圧電体支持体とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータにおいて、強度、及びアクチュエータとしての変位量をともに向上させることが可能な圧電アクチュエータ、及びこの圧電アクチュエータを用いたポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の圧電アクチュエータは、圧電体とメンブレン部を備えた圧電体支持体とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータであって、前記圧電体と前記圧電体支持体との間に非接合部分を設けたことを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の圧電アクチュエータは、請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体支持体はシリコンで構成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の圧電アクチュエータは、請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体と前記圧電体支持体との間に隙間を設けたことを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の圧電アクチュエータは、請求項３に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体支持体は、前記メンブレン部の周囲に厚肉部を備え、前記メンブレン部及び前記厚肉部それぞれに前記圧電体に向かって突出する台座が形成され、該各台座に前記圧電体が接合されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項５に記載の圧電アクチュエータは、請求項４に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体の周縁部が前記圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に接合されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項６に記載の圧電アクチュエータは、請求項１から５の何れか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は圧電性セラミックスのバルクであることを特徴としている。
【００１４】
請求項７に記載の圧電アクチュエータは、請求項６に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は圧電セラミックスと電極の交互多層構造からなる積層体であることを特徴としている。
【００１５】
請求項８に記載の圧電アクチュエータは、請求項１から５の何れか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体はシリコン基板上に圧電セラミックスが膜状に形成されたものであることを特徴としている。
【００１６】
請求項９に記載のポンプは、請求項１から８の何れか１項に記載の圧電アクチュエータを備えたことを特徴としている。なお、ここで、ポンプには、流体を排出及び吸入する機能を備えたものだけではなく、流体を排出又は吸入する機能を備えたものを含む。例えば、流体を排出する機能を備えたものとして各種のインジェクタや注射器等が、流体を吸入する機能を備えたものとして各種の吸入器やスポイト等が挙げられる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体とメンブレン部を備えた圧電体支持体とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータが、圧電体と圧電体支持体との間に非接合部分を設けている。電圧が印加された圧電体は面方向に伸縮（面内伸縮）するが、この伸縮は接合されている圧電体支持体により妨げられる。圧電体支持体と接合されていない非接合部分においては圧電体の伸縮が圧電体支持体により直接的に妨げられないので、圧電体と圧電体支持体との間を全面的に渡って接合する従来の圧電アクチュエータに比べて、メンブレン部の厚み方向の撓み量、すなわちアクチュエータとしての変位量が向上する。
【００１８】
請求項２に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体支持体はシリコンで構成されている。そのため、半導体製造過程等に用いられる多様な高精度微細加工を適用することができ、高精度かつ形状自由度が高いので、高機能な圧電アクチュエータを安価に得ることが可能となる。
【００１９】
請求項３に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体と圧電体支持体との間に隙間を設けている。そのため、圧電体と圧電体支持体との間に非接合部分を容易かつ確実に設けることが可能となる。なお、隙間は、空隙であってもよいが、圧電体と圧電体支持体との間の空間内に弾性変形しやすい樹脂等が充填されてなるものであってもよい。
【００２０】
請求項４に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体支持体のメンブレン部に形成された台座に圧電体が接合されている。そのため、圧電体のメンブレン部の厚み方向の変位が直接的にメンブレン部に伝達されるので、アクチュエータとしての変位量を向上することが可能となる。また、圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に圧電体が接合されている。そのため、圧電体支持体のメンブレン部のみにて圧電体が接合されている圧電アクチュエータに比べて、圧電体支持体のメンブレン部が破損することを防止することが可能となる。特に、圧電体支持体を金属に比べ強度の低いシリコン等で構成する場合、顕著である。さらに、圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に接合されている圧電体の部分にてワイヤボンディングを行うことが可能となり、電極にリード線を電気的に接続することが容易となる。なお、圧電体支持体のメンブレン部に形成された台座は、メンブレン部の一部に形成されたものであり、メンブレン部の中央近傍を含む部分に形成されることが好ましい。また、圧電体支持体のメンブレン部に形成された台座及び厚肉部に形成された台座は、各々１つでも複数であってもよく、メンブレン部と厚肉部とに形成された台座が分離しているのものであっても、部分的に連結されているものであってもよい。
【００２１】
請求項５に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体の周縁部が圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に接合されている。圧電体支持体の厚肉部は圧電体の伸縮によってはほぼ変位しない。そのため、圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に接合された部分の外側周囲部に圧電体が存在する場合であっても、当該部分の圧電体によってアクチュエータとしての変位量はほぼ同じである。よって、前記の場合に比べて、圧電体の面積を抑えることができるので、圧電体に電圧を印加したときの消費電力を抑えることが可能となる。
【００２２】
請求項６に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体は圧電性セラミックスのバルクである。そのため、発生駆動力が大きな圧電アクチュエータを得ることが可能となる。
【００２３】
請求項７に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体は圧電セラミックスと電極の交互多層構造からなる積層体である。そのため、圧電体に印加する電圧を低下させることができる。
【００２４】
請求項８に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体はシリコン基板上に圧電セラミックスが膜状に形成されたものである。そのため、圧電体に印加する電圧を低下させることができる。また、圧電体を容易に形成することができる。例えば、１μｍから数μｍの薄膜を形成する場合にはスパッタリング法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法を、１０μｍから数十μｍの厚膜を形成する場合にはスクリーン印刷法を用いることができる。
【００２５】
請求項９に記載のポンプによれば、請求項１から８の何れか１項に記載の圧電アクチュエータを備える。そのため、これら圧電アクチュエータの有する前述した各効果を備えたマイクロポンプを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータについて、図面に基づき説明する。圧電アクチュエータ１０は、図１にその模式断面図を図２にその模式分解斜視図を示すように、圧電体１と圧電体支持体２とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータであって、圧電体１と圧電体支持体２との間に非接合部分としての隙間Ｓを設けている。
【００２７】
圧電体１は、圧電素子部材であり、圧電性セラミックスのバルクである。ここでは、圧電セラミックスとしてチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下、略してＰＺＴという。）を用いている。他に圧電セラミックスとして、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ＰＺＴに少量のＬａを添加して得られるチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などを用いてもよい。また、圧電体１の厚さは３０μｍであるが、一般に５μｍから２００μｍ程度が好ましい。圧電体１の表面形状は一辺３．２ｍｍの正方形であるが、特に限定されない。ただし、励起される振動モードを単純化させる観点から長方形や正方形を含む矩形であることが好ましい。なお、圧電体１は、圧電セラミックスの単層体であってもよいが、圧電セラミックスと電極の交互多層構造からなる積層体であることが好ましい。これにより、圧電体１自体の厚さ方向の撓み量が同じである場合、電極に印加する電圧が低くなるので好ましい。
【００２８】
圧電体支持体２は、その一方の主面（以下、上面という。）側にて圧電体１を支持するとともに、可撓板としてのメンブレン部２ａを備えるダイヤフラムである。圧電体支持体２は、シリコン（Ｓｉ）、詳細には、シリコン単結晶で構成されている。シリコン単結晶を用いることにより、ウェットエッチングによる異方性加工やドライエッチングによる高アスペクト比加工などの微細加工を行うことができ、高精度で形状加工性に優れた圧電体支持体２を得ることができる。
【００２９】
圧電体支持体２は、薄肉のメンブレン部２ａの周囲を取り囲む厚肉部２ｂを備えている。メンブレン部２ａは、他方の主面（以下、下面という。）に開口部２ｃを設けることにより、上面側に薄肉のメンブレン部２ａを形成している。メンブレン部２ａの厚さは２０μｍ、一般に５μｍから１００μｍ程度が好ましい。メンブレン部２ａの面形状は一辺２．０ｍｍの正方形であるが、圧電体１の表面形状を考慮して定める。
【００３０】
圧電体支持体２のメンブレン部２ａ及び厚肉部２ｂには、それぞれ圧電体１に向かって突出する台座３ａ、３ｂが形成されている。メンブレン部２ａ及び厚肉部２ｂの上面にそれぞれ段差が形成されて盛上り形とされた台座３ａ、３ｂが設けられている。各台座３ａ、３ｂは、その主端面（上面）に圧電体１の一方の主面（以下、下面という。）が接合され、圧電体１を圧電体支持体２に固定するアンカとして機能を有する。メンブレン部２ａに形成された台座３ａには、圧電体１の中央部が接合される。ここでは、メンブレン部２ａに、メンブレン部２ａの中央を中心とする一辺１．６ｍｍの正方形の面形状を有する台座３ａが１つ形成されている。台座３ａの面形状は、主にメンブレン部２ａの面形状によって定められる。メンブレン部２ａと台座３ａの面形状が相似する矩形状であるとき、メンブレン部２ａの１辺の長さに対する台座３ａの１辺の長さの比が０．７から０．８程度であるとき、メンブレン部２ａの厚さ方向の撓み量が最大となることが理論的に算出されるので、前記の比であることが好ましい。厚肉部２ｂに形成された台座３ｂには、圧電体１の周縁部である４隅部が接合される。ここでは、厚肉部２ｂに一辺０．２ｍｍの正方形の面形状を有する台座３ｂが４つ形成されている。台座３ｂの面形状や個数は、特に限定されるものではなく、台座３ｂと圧電体１が十分な強度にて接合されるものであればよい。また、台座３ａ、３ｂの高さは約４μｍであるが、特に限定されるものではなく、台座３ａ、３ｂのその周囲部と圧電体１が接合されることを確実に防ぐことが可能な高さであればよい。
【００３１】
このように、圧電体支持体２の上面側の一部に設けた台座３ａ、３ｂに圧電体１の下面が接合しているので、圧電体支持体２と圧電体１との間には隙間（ギャップ）Ｓが設けられることとなる。この隙間Ｓが設けられた部分が、圧電体支持体２と圧電体１とが接合されていない非接合部分となる。この非接合部分は、メンブレン部２ａと厚肉部２ｂとの境界部分を含むように設けられている。非接合部分をメンブレン部２ａと厚肉部２ｂとの境界部分に設けることにより、当該部分の圧電体支持体２が単独で屈曲するため、圧電体１とともに屈曲する場合にて比べて屈曲しやすくなり、メンブレン部２ａの厚さ方向の撓み量がより増されることとなる。
【００３２】
圧電体支持体２と圧電体１とは、約１μｍの金（Ａｕ）薄膜を中間層に用いたＡｕ−Ｓｉ共晶接合により接合している。他にＴｉ／Ａｕを中間層に用いたＴｉ／Ａｕ−Ｓｉ共晶接合、エポキシ系接着剤を用いた接着、ガラス介在層を用いた陽極接合、Ａｕを用いた熱圧着接合などにより接合してもよい。
【００３３】
圧電体１には、当該圧電体１に電圧を印加するための電極４ａ、４ｂが両方の主面にそれぞれ形成されている。圧電体１の下面には下部電極４ａ、他方の主面である上面には上部電極４ｂがそれぞれ形成されている。ここで、圧電体支持体２と圧電体１とを接合する中間層として用いた金薄膜を下部電極４ａとしている。また、上部電極４ｂとして、圧電体１の上面全体に渡ってＡｕ／Ｃｒの薄膜が形成されている。下部電極４ａは、圧電体１の下面全面に渡って形成されているが、特に限定されるものではない。なお、電極４ａ、４ｂを圧電体１の面全面に渡って形成するよりも、中央部（メンブレン部２ａに形成された台座３ａと接合される部分）のみに形成する方が、電極面積が小さくなり、メンブレン部２ａの厚さ方向の撓み量が同じである場合、電極４ａ、４ｂに印加する電圧が低くなり、消費電力が少なくなるので好ましい。また、図示しないが、台座３ａと接合される電極４ａが、台座３ｂの内の１つと接合される電極と幅狭の導電通路にて連結されているものであってもよい。この場合、厚肉部２ｂに形成された台座３ｂに接合される電極にリード線をワイヤボンディングにより接合することにより、圧電体支持体２の破損可能性を減少させ、電極４ａとリード線を電気的に接続することができる。
【００３４】
以下、圧電アクチュエータ１０の製作プロセスについて説明する。まず、厚さ３００μｍ、両面研磨のシリコンウェハに熱酸化を行い、約０．３μｍの酸化膜を形成する。次に、ＢＨＦ溶液（ＮＨ４／ＨＦ／Ｈ２Ｏ：バッファードフッ素酸溶液）を用いてシリコンウェハ両面に形成された酸化膜のパターニングを行う。シリコンウェハの上面にパターニングされた酸化膜をマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductive Coupled Plasma − Reactive Ion Etching：誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング）を用いて約４μｍの段差加工を行う。ここで形成した段差はＰＺＴバルクのパターニングの際に用いる。次に、シリコンウェハの上面及びＰＺＴバルクの両面に真空蒸着を用いて金薄膜を１μｍ形成する。Ａｕを形成した面を重ね合わせ、ＰＺＴ−Ｓｉ接合を行う。ここで、接合と同時に直流電圧を印加し、ＰＺＴの分極処理を同時に行う。ＰＺＴ−Ｓｉ接合後、３０μｍまでＰＺＴの研磨を行う。その後、ＰＺＴバルクの上面にアクチュエータ駆動用の上部電極４ｂを真空蒸着を用いてＡｕ／Ｃｒにて形成する。研磨されたＰＺＴバルクをエキシマレーザを用いて加工を行う。ここで、シリコンウェハの上面の段差の外周を加工する。そこで、接合されていない部分は取り除かれ、ＰＺＴバルクのパターニングを行う。最後に、ＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide：Ｎ（ＣＨ３）４ＯＨ)を用いてシリコンウェハの下面から異方性エッチングを行い、開口部２ｃを形成する。ここで、ＣＹＴＯＰ（旭硝子株式会社製全フッ素透明樹脂、登録商標）を用いてシリコンウェハの上面及びＰＺＴバルクをエッチング液から表面保護を行った。
【００３５】
以下、圧電アクチュエータ１０の具体的な構造例に対するシミュレーションを図面に基づいて説明する。比較例１は、従来例の圧電アクチュエータであり、図３（ａ）に示すように、圧電体支持体の上面全体に渡って圧電体の下面を接合している。電極は１辺１．６ｍｍの正方形状である。比較例２は、従来例の圧電アクチュエータを改良したものであり、図３（ｂ）に示すように、圧電体支持体のメンブレン部の中央部に設けた台座の上面のみにて圧電体の下面を接合している。台座及び電極は１辺１．６ｍｍの正方形状である。実施例１は、本願実施形態に係る圧電アクチュエータであり、図４（ａ）に示すように、圧電体支持体のメンブレン部の中央部及び厚肉部にそれぞれ設けた台座の上面にて圧電体の下面を接合している。電極は圧電体の上下両面全面に渡って形成されている。メンブレン部の中央部の台座は１辺１．６ｍｍの正方形状である。厚肉部の台座は１辺０．２ｍｍの正方形状であり、圧電体の４隅に対応するように形成されている。一方、実施例２は、本願実施形態の変形に係る圧電アクチュエータであり、図４（ｂ）に示すように、実施例１とは、電極が１辺１．６ｍｍの正方形状であることのみが異なっている。各例とも、圧電体の厚さは３０μｍであり、圧電体支持体のメンブレン部は厚さ２０μｍで１辺２．０ｍｍの正方形状である。
【００３６】
各例に対するシミュレーションの計算結果は、図５に示される。図５において、横軸はメンブレン部の中央からの面内方向の距離(単位ｍｍ)を、縦軸は比較例１の場合を１とした場合の相対値にてメンブレン部の上下方向の変位量をそれぞれ表している。従来例の圧電アクチュエータを示す比較例１に比べて、本実施形態に係る圧電アクチュエータ及びその変形に係る圧電アクチュエータを示す実施例１及び実施例２において、メンブレン部の中央部の変位量が大幅に向上していることが理解される。実施例２は、実施例１と比較するとメンブレン部の中央部の変位量が僅かに向上することが理解される。なお、従来例の圧電アクチュエータを改良した比較例２は、実施例１及び実施例２と比較するとメンブレン部の中央部の変位量が大きいことが理解される。しかし、前述したように、シリコンで構成される圧電体支持体からなる比較例２は、メンブレン部が容易に破損するため、実用的でない。
【００３７】
以上説明したように、この圧電アクチュエータ１０によれば、圧電体１と圧電体支持体２との間に非接合部分を設けている。圧電体支持体２と接合されていない非接合部分においては圧電体１の面内方向の伸縮（面内伸縮）が圧電体支持体２により直接的に妨げられないので、圧電体１と圧電体支持体２との間を全面的に渡って接合する従来の圧電アクチュエータに比べて、メンブレン部２ａの厚み方向の撓み量、すなわちアクチュエータとしての変位量が向上する。また、圧電体１と圧電体支持体２との間に隙間Ｓを設けているので、圧電体１と圧電体支持体２との間に非接合部分を容易かつ確実に設けることができる。
【００３８】
また、圧電体支持体２のメンブレン部２ａに形成された台座３ａに圧電体１が接合されている。そのため、圧電体１のメンブレン部２ａの厚み方向の変位が直接的にメンブレン部２ａに伝達されるので、アクチュエータとしての変位量を向上することが可能となる。また、圧電体支持体２の厚肉部２ｂに形成された台座３ｂに圧電体１が接合されている。そのため、圧電体支持体２のメンブレン部２ａのみにて圧電体１が接合されている圧電アクチュエータに比べて、圧電体支持体２のメンブレン部２ａが破損することを防止することが可能となる。さらに、圧電体支持体２の厚肉部２ｂに形成された台座３ｂに接合されている圧電体１の部分にてワイヤボンディングを行うことが可能となり、電極４ａ、４ｂにリード線（不図示）を電気的に接続することが容易となる。
【００３９】
また、圧電体１の周縁部が圧電体支持体２の厚肉部２ｂに形成された台座３ｂに接合されている。圧電体支持体２の厚肉部２ｂは圧電体１の伸縮によってはほぼ変位しない。そのため、圧電体支持体２の厚肉部２ｂに形成された台座３ｂに接合された部分の外側周囲部に圧電体１が存在する場合であっても、当該部分の圧電体１によってアクチュエータとしての変位量はほぼ同じである。よって、前記の場合に比べて、圧電体１の面積を抑えることができるとともに、圧電体１に電圧を印加したときの消費電力を低下させることが可能となる。
【００４０】
また、圧電体１はＰＺＴのバルクである。そのため、薄膜ＰＺＴや厚膜ＰＺＴに比べて発生駆動力が大きな圧電アクチュエータ１０を得ることが可能となる。
【００４１】
なお、本実施の形態で示した圧電アクチュエータ１０の構成は、本発明に係る圧電アクチュエータの一態様にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、圧電体１がＰＺＴのバルクである場合の例を示した。しかしながら、圧電体１がシリコン基板上に圧電セラミックスが膜状に形成されたものであってもよい。例えば、シリコン単結晶基板上に厚さ数μｍのＰＺＴ薄膜をスパッタリング法やＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）法等により形成するものであっても、シリコン単結晶基板上に厚さ数十μｍのＰＺＴ厚膜をスクリーン印刷法等により形成するものであってもよい。圧電アクチュエータはユニモルフ型、バイモルフ型、モノモルフ型及び積層型の何れであってもよい。また、圧電体支持体２がシリコンで構成される場合の例を示したが、圧電体支持体２が金属材料等から構成されるものであってもよい。
【００４２】
また、圧電体１と圧電体支持体２との間に隙間Ｓを形成することにより非接合部分を設ける場合の例を示した。しかしながら、非接合部分を他の手段にて設けるものであってもよい。例えば、圧電体支持体２の上面側に台座３ａ、３ｂを設けることなく上面を平面状とし、下部電極４ａを兼ねる接合用の中間層としての金薄膜を圧電体１の下面に部分的に形成するものであってもよい。これにより、金薄膜が形成されていない部分にては、圧電体１と圧電体支持体２とは接合されずに、非接合部分が設けられることとなる。
【００４３】
以下、本発明の実施の形態に係るマイクロポンプ（ポンプ）２０について、図面に基づき説明する。マイクロポンプ２０は、図６にその模式断面図を示すように、前記実施の形態に係る圧電アクチュエータ１０を備えたものである。マイクロポンプ２０は、駆動部となる圧電アクチュエータ１０と、吸入流路２１及び排出流路２２が形成された基体部２３と、吸入弁２４及び排出弁２５を備えている。
【００４４】
基体部２３は、シリコンからなるものであり、圧電アクチュエータ１０の開口部２ｃからなるキャビティＣに外部（図中下方）から吸入される流体の流路となる吸入流路２１と、キャビティＣから外部へ排出される流体の流路となる排出流路２２が形成されている。圧電アクチュエータ１０の下面と基体部２３の上面とは接合されている。吸入弁２４はキャビティＣから吸入流路２１を介して流体が逆流することを、排出弁２５は、排出流路２２を介してキャビティＣに流体が逆流することを、それぞれ防止する逆流防止弁としての機能を有する。
【００４５】
このように構成されたマイクロポンプ２０は、圧電アクチュエータ１０の電極４ａ、４ｂに駆動電圧が印加されることにより、メンブレン部２ａが図中上下方向に移動することにともない、キャビティＣ内の容積、ひいては圧力が変動することにより、キャビティＣ内に流体を吸入又はキャビティＣ内の流体を排出する。
【００４６】
なお、本実施の形態で示したマイクロポンプ２０の構成は、本発明に係るポンプの一態様にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。また、本実施の形態で示した圧電アクチュエータ１０は、マイクロポンプ２０以外にも、医療や分析の分野から半導体製造分野などの広範囲で用いられる各種のマイクロデバイスを駆動するアクチュエータとして用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータ１０を示す模式断面図である。
【図２】圧電アクチュエータ１０を示す模式分解斜視図である。
【図３】シミュレーションに用いた構造の模式断面図を示す図であり、（ａ）は比較例１を、（ｂ）は比較例２を示す。
【図４】シミュレーションに用いた構造の模式断面図を示す図であり、（ａ）は実施例１を、（ｂ）は実施例２を示す。
【図５】シミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態に係るマイクロポンプ２０を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 圧電体
２ 圧電体支持体
２ａ メンブレン部
２ｂ 厚肉部
２ｃ 開口部
３ａ 台座
３ｂ 台座
４ａ 下部電極
４ｂ 上部電極
１０ 圧電アクチュエータ
２０ マイクロポンプ（ポンプ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ、詳しくはダイヤフラム構造の圧電アクチュエータ及びこれを用いたポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータは、逆圧電効果すなわち外部から印加された電圧に応じて歪みを発生させる現象を利用したものであり、印加電圧の大きさにより、圧電体の伸縮を制御することができる。圧電体とこれを支持するシリコンからなる圧電体支持体で構成したダイヤフラム構造の圧電アクチュエータでは、通常、メンブレン部を含む圧電体支持体の上面に圧電体を直接接合している。
【０００３】
圧電アクチュエータの駆動用電極は、圧電体の上下両面に金属薄膜にて形成されている。これらの電極に電圧を印加すると、圧電体は面内方向に伸縮するが、圧電体に接合されている圧電体支持体は伸縮しないため、結果的に圧電体と圧電体支持体とが一体になって厚み方向に屈曲する。このような圧電アクチュエータの厚み方向の屈曲を利用したポンプを構成することもできる。
【０００４】
圧電アクチュエータの変位量を大きくするためには、圧電体をメンブレン部の全面に配置するよりも、圧電体の外形をメンブレン部の外形よりも小さくして圧電体をメンブレン部の中に納め、メンブレン部の周辺部での変形が大きくなるようにした方が、メンブレン部が厚み方向に大きく屈曲する。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている圧電ダイヤフラムポンプの圧電材と真鍮などの弾性板とからなるダイヤフラム（圧電体支持体）は、ダイヤフラムの周囲部を自由端部とする、周囲部を樹脂製部材でシールする、下部電極を兼ねる弾性板の外周部の剛性を中央部の剛性よりも小さくする、下部電極を兼ねる弾性板の面積を圧電材の面積よりも大きくすること等により、変位量を増大させている。
【特許文献１】特開２００１−６５４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されているダイヤフラム構造は、ダイヤフラムがシリコンで構成されたものではなく、金属など弾力性に富んだ材料で構成した場合に実現可能である。シリコンは壊れやすいため、メンブレン部が５０μｍ以下と薄い場合には、その周辺部のみを薄くすると、その箇所で破壊が容易に起こるため実用化できない。また、メンブレン部より内側に圧電体を配置すると、電極にリード線をワイヤボンディングにて接続する際に、メンブレン部が破損するなど、強度に問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、圧電体とメンブレン部を備えた圧電体支持体とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータにおいて、強度、及びアクチュエータとしての変位量をともに向上させることが可能な圧電アクチュエータ、及びこの圧電アクチュエータを用いたポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の圧電アクチュエータは、圧電体とメンブレン部を備えた圧電体支持体とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータであって、前記圧電体と前記圧電体支持体との間に非接合部分を設けたことを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の圧電アクチュエータは、請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体支持体はシリコンで構成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の圧電アクチュエータは、請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体と前記圧電体支持体との間に隙間を設けたことを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の圧電アクチュエータは、請求項３に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体支持体は、前記メンブレン部の周囲に厚肉部を備え、前記メンブレン部及び前記厚肉部それぞれに前記圧電体に向かって突出する台座が形成され、該各台座に前記圧電体が接合されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項５に記載の圧電アクチュエータは、請求項４に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体の周縁部が前記圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に接合されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項６に記載の圧電アクチュエータは、請求項１から５の何れか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は圧電性セラミックスのバルクであることを特徴としている。
【００１４】
請求項７に記載の圧電アクチュエータは、請求項６に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体は圧電セラミックスと電極の交互多層構造からなる積層体であることを特徴としている。
【００１５】
請求項８に記載の圧電アクチュエータは、請求項１から５の何れか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体はシリコン基板上に圧電セラミックスが膜状に形成されたものであることを特徴としている。
【００１６】
請求項９に記載のポンプは、請求項１から８の何れか１項に記載の圧電アクチュエータを備えたことを特徴としている。なお、ここで、ポンプには、流体を排出及び吸入する機能を備えたものだけではなく、流体を排出又は吸入する機能を備えたものを含む。例えば、流体を排出する機能を備えたものとして各種のインジェクタや注射器等が、流体を吸入する機能を備えたものとして各種の吸入器やスポイト等が挙げられる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体とメンブレン部を備えた圧電体支持体とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータが、圧電体と圧電体支持体との間に非接合部分を設けている。電圧が印加された圧電体は面方向に伸縮（面内伸縮）するが、この伸縮は接合されている圧電体支持体により妨げられる。圧電体支持体と接合されていない非接合部分においては圧電体の伸縮が圧電体支持体により直接的に妨げられないので、圧電体と圧電体支持体との間を全面的に渡って接合する従来の圧電アクチュエータに比べて、メンブレン部の厚み方向の撓み量、すなわちアクチュエータとしての変位量が向上する。
【００１８】
請求項２に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体支持体はシリコンで構成されている。そのため、半導体製造過程等に用いられる多様な高精度微細加工を適用することができ、高精度かつ形状自由度が高いので、高機能な圧電アクチュエータを安価に得ることが可能となる。
【００１９】
請求項３に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体と圧電体支持体との間に隙間を設けている。そのため、圧電体と圧電体支持体との間に非接合部分を容易かつ確実に設けることが可能となる。なお、隙間は、空隙であってもよいが、圧電体と圧電体支持体との間の空間内に弾性変形しやすい樹脂等が充填されてなるものであってもよい。
【００２０】
請求項４に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体支持体のメンブレン部に形成された台座に圧電体が接合されている。そのため、圧電体のメンブレン部の厚み方向の変位が直接的にメンブレン部に伝達されるので、アクチュエータとしての変位量を向上することが可能となる。また、圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に圧電体が接合されている。そのため、圧電体支持体のメンブレン部のみにて圧電体が接合されている圧電アクチュエータに比べて、圧電体支持体のメンブレン部が破損することを防止することが可能となる。特に、圧電体支持体を金属に比べ強度の低いシリコン等で構成する場合、顕著である。さらに、圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に接合されている圧電体の部分にてワイヤボンディングを行うことが可能となり、電極にリード線を電気的に接続することが容易となる。なお、圧電体支持体のメンブレン部に形成された台座は、メンブレン部の一部に形成されたものであり、メンブレン部の中央近傍を含む部分に形成されることが好ましい。また、圧電体支持体のメンブレン部に形成された台座及び厚肉部に形成された台座は、各々１つでも複数であってもよく、メンブレン部と厚肉部とに形成された台座が分離しているのものであっても、部分的に連結されているものであってもよい。
【００２１】
請求項５に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体の周縁部が圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に接合されている。圧電体支持体の厚肉部は圧電体の伸縮によってはほぼ変位しない。そのため、圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に接合された部分の外側周囲部に圧電体が存在する場合であっても、当該部分の圧電体によってアクチュエータとしての変位量はほぼ同じである。よって、前記の場合に比べて、圧電体の面積を抑えることができるので、圧電体に電圧を印加したときの消費電力を抑えることが可能となる。
【００２２】
請求項６に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体は圧電性セラミックスのバルクである。そのため、発生駆動力が大きな圧電アクチュエータを得ることが可能となる。
【００２３】
請求項７に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体は圧電セラミックスと電極の交互多層構造からなる積層体である。そのため、圧電体に印加する電圧を低下させることができる。
【００２４】
請求項８に記載の圧電アクチュエータによれば、圧電体はシリコン基板上に圧電セラミックスが膜状に形成されたものである。そのため、圧電体に印加する電圧を低下させることができる。また、圧電体を容易に形成することができる。例えば、１μｍから数μｍの薄膜を形成する場合にはスパッタリング法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法を、１０μｍから数十μｍの厚膜を形成する場合にはスクリーン印刷法を用いることができる。
【００２５】
請求項９に記載のポンプによれば、請求項１から８の何れか１項に記載の圧電アクチュエータを備える。そのため、これら圧電アクチュエータの有する前述した各効果を備えたマイクロポンプを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータについて、図面に基づき説明する。圧電アクチュエータ１０は、図１にその模式断面図を図２にその模式分解斜視図を示すように、圧電体１と圧電体支持体２とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータであって、圧電体１と圧電体支持体２との間に非接合部分としての隙間Ｓを設けている。
【００２７】
圧電体１は、圧電素子部材であり、圧電性セラミックスのバルクである。ここでは、圧電セラミックスとしてチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下、略してＰＺＴという。）を用いている。他に圧電セラミックスとして、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ＰＺＴに少量のＬａを添加して得られるチタン酸ジルコン酸ランタン鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）などを用いてもよい。また、圧電体１の厚さは３０μｍであるが、一般に５μｍから２００μｍ程度が好ましい。圧電体１の表面形状は一辺３．２ｍｍの正方形であるが、特に限定されない。ただし、励起される振動モードを単純化させる観点から長方形や正方形を含む矩形であることが好ましい。なお、圧電体１は、圧電セラミックスの単層体であってもよいが、圧電セラミックスと電極の交互多層構造からなる積層体であることが好ましい。これにより、圧電体１自体の厚さ方向の撓み量が同じである場合、電極に印加する電圧が低くなるので好ましい。
【００２８】
圧電体支持体２は、その一方の主面（以下、上面という。）側にて圧電体１を支持するとともに、可撓板としてのメンブレン部２ａを備えるダイヤフラムである。圧電体支持体２は、シリコン（Ｓｉ）、詳細には、シリコン単結晶で構成されている。シリコン単結晶を用いることにより、ウェットエッチングによる異方性加工やドライエッチングによる高アスペクト比加工などの微細加工を行うことができ、高精度で形状加工性に優れた圧電体支持体２を得ることができる。
【００２９】
圧電体支持体２は、薄肉のメンブレン部２ａの周囲を取り囲む厚肉部２ｂを備えている。メンブレン部２ａは、他方の主面（以下、下面という。）に開口部２ｃを設けることにより、上面側に薄肉のメンブレン部２ａを形成している。メンブレン部２ａの厚さは２０μｍ、一般に５μｍから１００μｍ程度が好ましい。メンブレン部２ａの面形状は一辺２．０ｍｍの正方形であるが、圧電体１の表面形状を考慮して定める。
【００３０】
圧電体支持体２のメンブレン部２ａ及び厚肉部２ｂには、それぞれ圧電体１に向かって突出する台座３ａ、３ｂが形成されている。メンブレン部２ａ及び厚肉部２ｂの上面にそれぞれ段差が形成されて盛上り形とされた台座３ａ、３ｂが設けられている。各台座３ａ、３ｂは、その主端面（上面）に圧電体１の一方の主面（以下、下面という。）が接合され、圧電体１を圧電体支持体２に固定するアンカとして機能を有する。メンブレン部２ａに形成された台座３ａには、圧電体１の中央部が接合される。ここでは、メンブレン部２ａに、メンブレン部２ａの中央を中心とする一辺１．６ｍｍの正方形の面形状を有する台座３ａが１つ形成されている。台座３ａの面形状は、主にメンブレン部２ａの面形状によって定められる。メンブレン部２ａと台座３ａの面形状が相似する矩形状であるとき、メンブレン部２ａの１辺の長さに対する台座３ａの１辺の長さの比が０．７から０．８程度であるとき、メンブレン部２ａの厚さ方向の撓み量が最大となることが理論的に算出されるので、前記の比であることが好ましい。厚肉部２ｂに形成された台座３ｂには、圧電体１の周縁部である４隅部が接合される。ここでは、厚肉部２ｂに一辺０．２ｍｍの正方形の面形状を有する台座３ｂが４つ形成されている。台座３ｂの面形状や個数は、特に限定されるものではなく、台座３ｂと圧電体１が十分な強度にて接合されるものであればよい。また、台座３ａ、３ｂの高さは約４μｍであるが、特に限定されるものではなく、台座３ａ、３ｂのその周囲部と圧電体１が接合されることを確実に防ぐことが可能な高さであればよい。
【００３１】
このように、圧電体支持体２の上面側の一部に設けた台座３ａ、３ｂに圧電体１の下面が接合しているので、圧電体支持体２と圧電体１との間には隙間（ギャップ）Ｓが設けられることとなる。この隙間Ｓが設けられた部分が、圧電体支持体２と圧電体１とが接合されていない非接合部分となる。この非接合部分は、メンブレン部２ａと厚肉部２ｂとの境界部分を含むように設けられている。非接合部分をメンブレン部２ａと厚肉部２ｂとの境界部分に設けることにより、当該部分の圧電体支持体２が単独で屈曲するため、圧電体１とともに屈曲する場合にて比べて屈曲しやすくなり、メンブレン部２ａの厚さ方向の撓み量がより増されることとなる。
【００３２】
圧電体支持体２と圧電体１とは、約１μｍの金（Ａｕ）薄膜を中間層に用いたＡｕ−Ｓｉ共晶接合により接合している。他にＴｉ／Ａｕを中間層に用いたＴｉ／Ａｕ−Ｓｉ共晶接合、エポキシ系接着剤を用いた接着、ガラス介在層を用いた陽極接合、Ａｕを用いた熱圧着接合などにより接合してもよい。
【００３３】
圧電体１には、当該圧電体１に電圧を印加するための電極４ａ、４ｂが両方の主面にそれぞれ形成されている。圧電体１の下面には下部電極４ａ、他方の主面である上面には上部電極４ｂがそれぞれ形成されている。ここで、圧電体支持体２と圧電体１とを接合する中間層として用いた金薄膜を下部電極４ａとしている。また、上部電極４ｂとして、圧電体１の上面全体に渡ってＡｕ／Ｃｒの薄膜が形成されている。下部電極４ａは、圧電体１の下面全面に渡って形成されているが、特に限定されるものではない。なお、電極４ａ、４ｂを圧電体１の面全面に渡って形成するよりも、中央部（メンブレン部２ａに形成された台座３ａと接合される部分）のみに形成する方が、電極面積が小さくなり、メンブレン部２ａの厚さ方向の撓み量が同じである場合、電極４ａ、４ｂに印加する電圧が低くなり、消費電力が少なくなるので好ましい。また、図示しないが、台座３ａと接合される電極４ａが、台座３ｂの内の１つと接合される電極と幅狭の導電通路にて連結されているものであってもよい。この場合、厚肉部２ｂに形成された台座３ｂに接合される電極にリード線をワイヤボンディングにより接合することにより、圧電体支持体２の破損可能性を減少させ、電極４ａとリード線を電気的に接続することができる。
【００３４】
以下、圧電アクチュエータ１０の製作プロセスについて説明する。まず、厚さ３００μｍ、両面研磨のシリコンウェハに熱酸化を行い、約０．３μｍの酸化膜を形成する。次に、ＢＨＦ溶液（ＮＨ４／ＨＦ／Ｈ２Ｏ：バッファードフッ素酸溶液）を用いてシリコンウェハ両面に形成された酸化膜のパターニングを行う。シリコンウェハの上面にパターニングされた酸化膜をマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductive Coupled Plasma − Reactive Ion Etching：誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング）を用いて約４μｍの段差加工を行う。ここで形成した段差はＰＺＴバルクのパターニングの際に用いる。次に、シリコンウェハの上面及びＰＺＴバルクの両面に真空蒸着を用いて金薄膜を１μｍ形成する。Ａｕを形成した面を重ね合わせ、ＰＺＴ−Ｓｉ接合を行う。ここで、接合と同時に直流電圧を印加し、ＰＺＴの分極処理を同時に行う。ＰＺＴ−Ｓｉ接合後、３０μｍまでＰＺＴの研磨を行う。その後、ＰＺＴバルクの上面にアクチュエータ駆動用の上部電極４ｂを真空蒸着を用いてＡｕ／Ｃｒにて形成する。研磨されたＰＺＴバルクをエキシマレーザを用いて加工を行う。ここで、シリコンウェハの上面の段差の外周を加工する。そこで、接合されていない部分は取り除かれ、ＰＺＴバルクのパターニングを行う。最後に、ＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide：Ｎ（ＣＨ３）４ＯＨ)を用いてシリコンウェハの下面から異方性エッチングを行い、開口部２ｃを形成する。ここで、ＣＹＴＯＰ（旭硝子株式会社製全フッ素透明樹脂、登録商標）を用いてシリコンウェハの上面及びＰＺＴバルクをエッチング液から表面保護を行った。
【００３５】
以下、圧電アクチュエータ１０の具体的な構造例に対するシミュレーションを図面に基づいて説明する。比較例１は、従来例の圧電アクチュエータであり、図３（ａ）に示すように、圧電体支持体の上面全体に渡って圧電体の下面を接合している。電極は１辺１．６ｍｍの正方形状である。比較例２は、従来例の圧電アクチュエータを改良したものであり、図３（ｂ）に示すように、圧電体支持体のメンブレン部の中央部に設けた台座の上面のみにて圧電体の下面を接合している。台座及び電極は１辺１．６ｍｍの正方形状である。実施例１は、本願実施形態に係る圧電アクチュエータであり、図４（ａ）に示すように、圧電体支持体のメンブレン部の中央部及び厚肉部にそれぞれ設けた台座の上面にて圧電体の下面を接合している。電極は圧電体の上下両面全面に渡って形成されている。メンブレン部の中央部の台座は１辺１．６ｍｍの正方形状である。厚肉部の台座は１辺０．２ｍｍの正方形状であり、圧電体の４隅に対応するように形成されている。一方、実施例２は、本願実施形態の変形に係る圧電アクチュエータであり、図４（ｂ）に示すように、実施例１とは、電極が１辺１．６ｍｍの正方形状であることのみが異なっている。各例とも、圧電体の厚さは３０μｍであり、圧電体支持体のメンブレン部は厚さ２０μｍで１辺２．０ｍｍの正方形状である。
【００３６】
各例に対するシミュレーションの計算結果は、図５に示される。図５において、横軸はメンブレン部の中央からの面内方向の距離(単位ｍｍ)を、縦軸は比較例１の場合を１とした場合の相対値にてメンブレン部の上下方向の変位量をそれぞれ表している。従来例の圧電アクチュエータを示す比較例１に比べて、本実施形態に係る圧電アクチュエータ及びその変形に係る圧電アクチュエータを示す実施例１及び実施例２において、メンブレン部の中央部の変位量が大幅に向上していることが理解される。実施例２は、実施例１と比較するとメンブレン部の中央部の変位量が僅かに向上することが理解される。なお、従来例の圧電アクチュエータを改良した比較例２は、実施例１及び実施例２と比較するとメンブレン部の中央部の変位量が大きいことが理解される。しかし、前述したように、シリコンで構成される圧電体支持体からなる比較例２は、メンブレン部が容易に破損するため、実用的でない。
【００３７】
以上説明したように、この圧電アクチュエータ１０によれば、圧電体１と圧電体支持体２との間に非接合部分を設けている。圧電体支持体２と接合されていない非接合部分においては圧電体１の面内方向の伸縮（面内伸縮）が圧電体支持体２により直接的に妨げられないので、圧電体１と圧電体支持体２との間を全面的に渡って接合する従来の圧電アクチュエータに比べて、メンブレン部２ａの厚み方向の撓み量、すなわちアクチュエータとしての変位量が向上する。また、圧電体１と圧電体支持体２との間に隙間Ｓを設けているので、圧電体１と圧電体支持体２との間に非接合部分を容易かつ確実に設けることができる。
【００３８】
また、圧電体支持体２のメンブレン部２ａに形成された台座３ａに圧電体１が接合されている。そのため、圧電体１のメンブレン部２ａの厚み方向の変位が直接的にメンブレン部２ａに伝達されるので、アクチュエータとしての変位量を向上することが可能となる。また、圧電体支持体２の厚肉部２ｂに形成された台座３ｂに圧電体１が接合されている。そのため、圧電体支持体２のメンブレン部２ａのみにて圧電体１が接合されている圧電アクチュエータに比べて、圧電体支持体２のメンブレン部２ａが破損することを防止することが可能となる。さらに、圧電体支持体２の厚肉部２ｂに形成された台座３ｂに接合されている圧電体１の部分にてワイヤボンディングを行うことが可能となり、電極４ａ、４ｂにリード線（不図示）を電気的に接続することが容易となる。
【００３９】
また、圧電体１の周縁部が圧電体支持体２の厚肉部２ｂに形成された台座３ｂに接合されている。圧電体支持体２の厚肉部２ｂは圧電体１の伸縮によってはほぼ変位しない。そのため、圧電体支持体２の厚肉部２ｂに形成された台座３ｂに接合された部分の外側周囲部に圧電体１が存在する場合であっても、当該部分の圧電体１によってアクチュエータとしての変位量はほぼ同じである。よって、前記の場合に比べて、圧電体１の面積を抑えることができるとともに、圧電体１に電圧を印加したときの消費電力を低下させることが可能となる。
【００４０】
また、圧電体１はＰＺＴのバルクである。そのため、薄膜ＰＺＴや厚膜ＰＺＴに比べて発生駆動力が大きな圧電アクチュエータ１０を得ることが可能となる。
【００４１】
なお、本実施の形態で示した圧電アクチュエータ１０の構成は、本発明に係る圧電アクチュエータの一態様にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、圧電体１がＰＺＴのバルクである場合の例を示した。しかしながら、圧電体１がシリコン基板上に圧電セラミックスが膜状に形成されたものであってもよい。例えば、シリコン単結晶基板上に厚さ数μｍのＰＺＴ薄膜をスパッタリング法やＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）法等により形成するものであっても、シリコン単結晶基板上に厚さ数十μｍのＰＺＴ厚膜をスクリーン印刷法等により形成するものであってもよい。圧電アクチュエータはユニモルフ型、バイモルフ型、モノモルフ型及び積層型の何れであってもよい。また、圧電体支持体２がシリコンで構成される場合の例を示したが、圧電体支持体２が金属材料等から構成されるものであってもよい。
【００４２】
また、圧電体１と圧電体支持体２との間に隙間Ｓを形成することにより非接合部分を設ける場合の例を示した。しかしながら、非接合部分を他の手段にて設けるものであってもよい。例えば、圧電体支持体２の上面側に台座３ａ、３ｂを設けることなく上面を平面状とし、下部電極４ａを兼ねる接合用の中間層としての金薄膜を圧電体１の下面に部分的に形成するものであってもよい。これにより、金薄膜が形成されていない部分にては、圧電体１と圧電体支持体２とは接合されずに、非接合部分が設けられることとなる。
【００４３】
以下、本発明の実施の形態に係るマイクロポンプ（ポンプ）２０について、図面に基づき説明する。マイクロポンプ２０は、図６にその模式断面図を示すように、前記実施の形態に係る圧電アクチュエータ１０を備えたものである。マイクロポンプ２０は、駆動部となる圧電アクチュエータ１０と、吸入流路２１及び排出流路２２が形成された基体部２３と、吸入弁２４及び排出弁２５を備えている。
【００４４】
基体部２３は、シリコンからなるものであり、圧電アクチュエータ１０の開口部２ｃからなるキャビティＣに外部（図中下方）から吸入される流体の流路となる吸入流路２１と、キャビティＣから外部へ排出される流体の流路となる排出流路２２が形成されている。圧電アクチュエータ１０の下面と基体部２３の上面とは接合されている。吸入弁２４はキャビティＣから吸入流路２１を介して流体が逆流することを、排出弁２５は、排出流路２２を介してキャビティＣに流体が逆流することを、それぞれ防止する逆流防止弁としての機能を有する。
【００４５】
このように構成されたマイクロポンプ２０は、圧電アクチュエータ１０の電極４ａ、４ｂに駆動電圧が印加されることにより、メンブレン部２ａが図中上下方向に移動することにともない、キャビティＣ内の容積、ひいては圧力が変動することにより、キャビティＣ内に流体を吸入又はキャビティＣ内の流体を排出する。
【００４６】
なお、本実施の形態で示したマイクロポンプ２０の構成は、本発明に係るポンプの一態様にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。また、本実施の形態で示した圧電アクチュエータ１０は、マイクロポンプ２０以外にも、医療や分析の分野から半導体製造分野などの広範囲で用いられる各種のマイクロデバイスを駆動するアクチュエータとして用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータ１０を示す模式断面図である。
【図２】圧電アクチュエータ１０を示す模式分解斜視図である。
【図３】シミュレーションに用いた構造の模式断面図を示す図であり、（ａ）は比較例１を、（ｂ）は比較例２を示す。
【図４】シミュレーションに用いた構造の模式断面図を示す図であり、（ａ）は実施例１を、（ｂ）は実施例２を示す。
【図５】シミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態に係るマイクロポンプ２０を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 圧電体
２ 圧電体支持体
２ａ メンブレン部
２ｂ 厚肉部
２ｃ 開口部
３ａ 台座
３ｂ 台座
４ａ 下部電極
４ｂ 上部電極
１０ 圧電アクチュエータ
２０ マイクロポンプ（ポンプ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体とメンブレン部を備えた圧電体支持体とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータであって、
前記圧電体と前記圧電体支持体との間に非接合部分を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電体支持体はシリコンで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電体と前記圧電体支持体との間に隙間を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記圧電体支持体は、前記メンブレン部の周囲に厚肉部を備え、前記メンブレン部及び前記厚肉部それぞれに前記圧電体に向かって突出する台座が形成され、該各台座に前記圧電体が接合されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電体の周縁部が前記圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に接合されていることを特徴とする請求項４項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記圧電体は圧電性セラミックスのバルクであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記圧電体は圧電セラミックスと電極の交互多層構造からなる積層体であることを特徴とする請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記圧電体はシリコン基板上に圧電セラミックスが膜状に形成されたものであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１から８の何れか１項に記載の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とするポンプ。
【請求項１】
圧電体とメンブレン部を備えた圧電体支持体とが接合されてなるダイヤフラム構造の圧電アクチュエータであって、
前記圧電体と前記圧電体支持体との間に非接合部分を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電体支持体はシリコンで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電体と前記圧電体支持体との間に隙間を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記圧電体支持体は、前記メンブレン部の周囲に厚肉部を備え、前記メンブレン部及び前記厚肉部それぞれに前記圧電体に向かって突出する台座が形成され、該各台座に前記圧電体が接合されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電体の周縁部が前記圧電体支持体の厚肉部に形成された台座に接合されていることを特徴とする請求項４項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記圧電体は圧電性セラミックスのバルクであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記圧電体は圧電セラミックスと電極の交互多層構造からなる積層体であることを特徴とする請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記圧電体はシリコン基板上に圧電セラミックスが膜状に形成されたものであることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１から８の何れか１項に記載の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とするポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−５４３６７（Ｐ２００８−５４３６７Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２５０４０（Ｐ２００６−２２５０４０）
【出願日】平成１８年８月２２日（２００６．８．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年２月２４日 立命館大学主催の「立命館大学大学院理工学研究科修士論文公聴会」において文書をもって発表
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２２日（２００６．８．２２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年２月２４日 立命館大学主催の「立命館大学大学院理工学研究科修士論文公聴会」において文書をもって発表
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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