圧電ポンプおよび振動装置
【課題】圧電体層の反りをなくし、振動によって圧電体層に引っ張り応力が作用しても圧電体層が破壊する危険性を低減する。
【解決手段】圧電ポンプ１００は、圧電体素子５４と中間板５３と振動板５１とを備える。圧電体素子５４は、平板状である。中間板５３は、圧電体素子５４の主面に接合され、圧電体素子５４に圧縮方向の残留応力を付与する。振動板５１は、圧電体素子５４の主面に対向するように中間板５３に接合されて中間板５３から圧縮方向の残留応力が付与され、且つ、開口穴３１を有する。ポンプ室４１は開口穴３１を介して外部に連通する。中間板５３は引っ張り方向の残留応力を有する。
【解決手段】圧電ポンプ１００は、圧電体素子５４と中間板５３と振動板５１とを備える。圧電体素子５４は、平板状である。中間板５３は、圧電体素子５４の主面に接合され、圧電体素子５４に圧縮方向の残留応力を付与する。振動板５１は、圧電体素子５４の主面に対向するように中間板５３に接合されて中間板５３から圧縮方向の残留応力が付与され、且つ、開口穴３１を有する。ポンプ室４１は開口穴３１を介して外部に連通する。中間板５３は引っ張り方向の残留応力を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電体素子などの圧電部を備える振動装置と、振動装置として構成されていて、ポンプ室の壁面を構成する振動板を圧電部により振動させ、流体を搬送する圧電ポンプと、に関する。
【背景技術】
【０００２】
引っ張り応力に対して弱く、破損しやすい圧電体薄膜に対して、圧縮方向の残留応力を付与することで引っ張り応力による破壊を防止する技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記圧電体薄膜は、圧電体薄膜よりも線膨張係数が大きい基板に、加熱環境下で成膜される。これにより、圧電体薄膜を冷却すると基板が圧電体薄膜より大きく収縮するため、圧電体薄膜に圧縮方向の残留応力が付与される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４６６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１は、従来の圧電体薄膜や圧電体素子の断面図である。
【０００６】
構造体２００は、圧電体層２０１を基板２０２に熱接合し、熱接合後に冷却されて構成される。同図（Ａ）は、冷却後の静定状態での構造体２００の断面図である。この状態の構造体２００は、基板２０２に引っ張り方向の残留応力が生じるとともに、圧電体層２０１に圧縮方向の残留応力が生じる。この構造体２００では、圧電体層側と基板側とで残留応力が相違するため、構造体２００は圧電体層側が伸長し基板側が収縮して、構造体２００に微小な反りが生じる。圧電体層側の伸長により、圧電体層２０１内での残留応力の勾配は大きくなり、圧電体層２０１の表面近傍には、圧縮方向の残留応力がほとんど生じない。
【０００７】
このような従来の圧電体素子や圧電体薄膜を、交番電圧の印加により振動させる振動装置や圧電ポンプでは、圧電体層が振動すると、圧電体層に引っ張り応力または圧縮応力が作用することになる。
【０００８】
同図（Ｂ）は、振動により圧電層側に凸に屈曲した状態での構造体２００の断面図である。この構造体２００では、圧電体層２０１に圧縮方向の残留応力を予め付与していたため、振動により作用する引っ張り応力は低減される。しかしながら、圧電体層２０１はもとより反っていて、圧電体表面近傍には、圧縮方向の残留応力がほとんど付与されていないため、圧電体表面からクラックが生じ、圧電体が破壊する虞がある。
【０００９】
また、ポンプ室の壁面を振動板で構成し、振動板を圧電体素子や圧電体薄膜により振動させてポンプ室内の流体を搬送するようにした圧電ポンプでは、圧電体層の破壊により、流体の搬送ができなくなる虞がある。
【００１０】
そこで、本発明は、圧電体層が反ることをなくし、振動によって圧電体層に引っ張り応力が作用して圧電体層が破壊する危険性を低減した振動装置、および、振動装置であって、流体の搬送ができなくなる危険性を低減した圧電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】
【００１１】
この発明の振動装置は、圧電部と第一の接合部と第二の接合部とを備える。圧電部は、平板状である。第一の接合部は、圧電部の主面に接合され、圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する。第二の接合部は、圧電部の主面に対向するように第一の接合部に接合され第一の接合部から圧縮方向の残留応力が付与される。そして、第一の接合部が引っ張り方向の残留応力を有する。または、この発明の振動装置は、圧電部と第一の接合部と第二の接合部とを備える。圧電部は、平板状である。第一の接合部は、圧電部の主面に接合され、圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する。第二の接合部は、第一の接合部の主面に対向するように圧電部に接合され圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する。そして、第一の接合部と第二の接合部とのうち、少なくとも第一の接合部は引っ張り方向の残留応力を有する。なお、圧電部に印加される交番電圧の周波数は、前記振動装置の共振周波数であると好適である。
【００１２】
したがって、圧電部には圧縮方向の残留応力が付与される。圧電体と第一の接合部と第二の接合部とからなる構造体は、両主面側で残留応力がバランスよく残留し反りが抑制される。これにより、圧電部の表面近傍にも圧縮方向の残留応力が付与され、仮に圧電部に交番電圧を印加して振動させても、その振動によって圧電部に作用する引っ張り応力を、圧電部の圧縮方向の残留応力により相殺できる。
【００１３】
圧電ポンプは、上述の振動装置とポンプ本体とを備える。ポンプ本体は開口穴を介して外部に連通するポンプ室を有する。ここで、ポンプ室の壁面の一部を構成する振動板を、第一の接合部または第二の接合部に備えると、圧電部の破壊により流体の搬送ができなくなる危険性を低減でき好適である。
【００１４】
この発明の圧電ポンプは、圧電体素子と中間板と振動板とポンプ本体とを備える。圧電体素子は、平板状である。中間板は、圧電体素子の主面に接合され、圧電体素子の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する。振動板は、圧電体素子の主面に対向するように中間板に接合されて中間板から圧縮方向の残留応力が付与され、且つ、開口穴を有する。ポンプ本体は、開口穴を介して外部に連通するポンプ室を有する。そして、この圧電ポンプは、中間板が引っ張り方向の残留応力を有し、圧電体素子に交番電圧が印加されることで振動板がポンプ室側とポンプ室とは逆側とに交互に屈曲して、流体を流動させる。
【００１５】
したがって、加熱環境下で圧電体素子と振動板とを中間板に接着すると、冷却後、圧電体素子と振動板とに圧縮応力が付与され、中間板に引っ張り応力が付与される。このため、圧電体素子と振動板とで残留応力がバランスよく残留し、冷却後の反りが抑制される。これにより、圧電体素子の表面近傍にも圧縮方向の残留応力が付与される。したがって、仮に圧電体素子に交番電圧を印加して振動させても、その振動によって圧電体素子に作用する引っ張り応力を、圧電体素子の圧縮方向の残留応力により相殺できる。
【００１６】
なお、この圧電ポンプは、中間板から圧電体素子に付与される残留応力の大きさは、交番電圧の印加に伴って振動板がポンプ室とは逆側に屈曲する際に作用する応力の大きさよりも、圧電体素子における主面に垂直な厚み方向の全域に亘って圧縮方向に大きい、と好適である。
【００１７】
中間板は、その線膨張係数が、振動板の線膨張係数および圧電体素子の線膨張係数よりも大きいとき、特に圧電体素子の表面近傍にも圧縮方向の残留応力をバランスよく残留させることができ、圧電体素子表面におけるクラックを防ぐことができる。
【００１８】
ポンプ本体は、複数の構成部材の線膨張係数が互いに等しいと、温度変化によるポンプ本体の構成部材の変形を抑制して、温度変化による変形の小さな圧電ポンプを構成でき好適である。
【００１９】
圧電体素子と中間板と振動板とからなる構造体は、全体としての線膨張係数がポンプ本体の線膨張係数よりも小さいと、振動板に圧縮方向の残留応力が付与される。この場合、温度変化により振動板が変形した場合であっても、振動板に引っ張り応力が加わらないため、温度変化による変形の小さな圧電ポンプを構成することができる。また、振動がポンプ本体に漏れにくくなりポンプ効率が向上する。
【発明の効果】
【００２０】
この発明では、残留応力をバランスよく残留させることで構造体の反りを抑制し、圧電体に圧縮方向の大きな残留応力を確実に付与する。したがって、振動によって圧電体層に引っ張り応力が作用しても、圧電体層が破壊する危険性を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来構成を説明する図である。
【図２】第１の実施形態の圧電ポンプの断面図である。
【図３】同圧電ポンプの天板の平面図である。
【図４】同圧電ポンプの流路板の平面図である。
【図５】同圧電ポンプのポンプ室天板の平面図である。
【図６】同圧電ポンプのポンプ室形成板の平面図である。
【図７】同圧電ポンプのダイヤフラム構造体の図である。
【図８】同圧電ポンプの底板の平面図である。
【図９】同圧電ポンプの動作を説明する図である。
【図１０】同ダイヤフラム構造体の断面図である。
【図１１】同圧電ポンプのダイヤフラム構造体の他の構成例を説明する図である。
【図１２】ダイヤフラム構造体の構成例を説明する図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０…天板
１１…開口穴
２０…流路板
２１…流路中央室
２２…流体通路
３０…ポンプ室天板
３１…開口穴
３２…流入穴
４０…ポンプ室形成板
４１…ポンプ室
４２…流入穴
５０，７０，９０，１１０…ダイヤフラム構造体
５１，７１，９１，１１１…振動板
５２…流入穴
５３，７３…中間板
５４，７４，９４，１１４…圧電体素子
６０…底板
６１…圧電体素子収容室
６２…流入穴
９５，１１５…接合部
１００…圧電ポンプ
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の振動装置を圧電ポンプに適用した第１の実施形態を説明する。
【００２４】
図２（Ａ）は、同実施形態の圧電ポンプ１００の断面図である。また、図２（Ｂ）は、圧電ポンプ１００による流体の流れを説明する図である。ここでは、電子機器の空冷用途の圧電ポンプの構成例を示している。
【００２５】
圧電ポンプ１００は、天板１０と流路板２０とポンプ室天板３０とポンプ室形成板４０と振動板５１と中間板５３と圧電体素子５４と底板６０とを備える。振動板５１と中間板５３と圧電体素子５４とは、熱硬化性接着剤を塗布して加熱されることで、予め熱接合され、後述するダイヤフラム構造体５０が構成されている。ダイヤフラム構造体５０は、請求項１の振動装置に相当する。なお、圧電ポンプ１００のダイヤフラム構造体５０を除く部材が、ポンプ本体を構成する。
【００２６】
天板１０は、開口穴１１を備え、流路板２０に接合されている。この天板１０の平面図を図３に示す。天板１０は外形が四角形の平板であり、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）のような剛性のある材料で構成されている。天板１０の中心部には、開口穴１１が形成されている。開口穴１１は、圧電ポンプ１００の外部と流路板２０の流路中央室２１とに通じている。
【００２７】
流路板２０は、流路中央室２１と流体通路２２を備え、天板１０とポンプ室天板３０とに接合されている。この流路板２０の平面図を図４に示す。流路板２０は天板１０と同一外形を有する平板であり、天板１０と同一材料で構成されている。流路板２０の中心部には、流路中央室２１が形成され、流路中央室２１から平板の四隅にかけて４本の流体通路２２が形成されている。流路中央室２１は、開口穴１１よりも大径であり、開口穴１１とポンプ室天板３０の開口穴３１とに通じている。また、流体通路２２は、流路中央室２１とポンプ室天板３０の流入穴３２とに通じている。流路中央室２１に複数の流体通路２２を通じさせているため、流体通路２２での抵抗が低減され、気体は流路中央室２１へ引き寄せられる。したがって、気体流量の増加を図ることができる。
【００２８】
ポンプ室天板３０は、開口穴３１と流入穴３２を備え、流路板２０とポンプ室形成板４０とに接合されている。このポンプ室天板３０の平面図を図５に示す。ポンプ室天板３０は流路板２０と同一外形を有する平板であり、流路板２０と同一材料で構成されている。ポンプ室天板３０の中心部には、開口穴３１が形成され、平板の四隅には４つの流入穴３２が形成されている。開口穴３１は開口穴１１とほぼ同一径であり、流路中央室２１とポンプ室形成板４０のポンプ室４１とに通じている。また、流入穴３２は、流体通路２２とポンプ室形成板４０の流入穴４２とに通じている。なお、開口穴３１は開口穴１１と径が異なっていても良いが、流路中央室２１よりも小さい径が好ましい。また、ポンプ室天板３０は、流路板２０と異なる材料で構成されていてもよく、例えば、ばね弾性を持つ材料で構成されると好適である。
【００２９】
ポンプ室形成板４０はポンプ室４１と流入穴４２を備え、ポンプ室天板３０と振動板５１とに接合されている。このポンプ室形成板４０の平面図を図６に示す。ポンプ室形成板４０はポンプ室天板３０と同一外形を有する平板であり、ポンプ室天板３０と同一材料で構成されている。ポンプ室形成板４０の中心部には、円形のポンプ室４１が形成され、平板の四隅には４つの流入穴４２が形成されている。ポンプ室４１は流路中央室２１よりも大径であり、開口穴３１に連通している。また、流入穴４２は、流入穴３２と振動板５１の流入穴５２とに通じている。
【００３０】
振動板５１は、中間板５３と圧電体素子５４とが予め接合されている。具体的には、接着剤を塗布し加熱硬化することで接着されている。これらによってダイヤフラム構造体５０が構成されている。ダイヤフラム構造体５０の断面図を図７（Ａ）に、ダイヤフラム構造体５０の平面図を図７（Ｂ）に示す。振動板５１は、ポンプ室形成板４０と同一外形を有する平板であり、平板の四隅に４つの流入穴５２を備えている。振動板５１は、ポンプ室形成板４０と底板６０とに接合されている。流入穴５２は、流入穴４２と底板６０の流入穴６２とに通じている。中間板５３は円形の外形を有する平板であり、振動板５１の中央部に熱接合されている。圧電体素子５４は、中間板５３と同一外形を有する平板であり、中間板５３の中央部に熱接合されている。
【００３１】
底板６０は圧電体素子収容室６１と流入穴６２を備え、ダイヤフラム構造体５０の振動板５１に接合されている。この底板６０の平面図を図８に示す。底板６０は振動板５１と同一外形を有する平板である。底板６０の中心部には、円形の圧電体素子収容室６１が形成され、平板の四隅には４つの流入穴６２が形成されている。圧電体素子収容室６１は、ダイヤフラム構造体５０の中間板５３および圧電体素子５４を収容する。また、流入穴６２は、流入穴５２に連通している。底板６０は、中間板５３の厚みと圧電体素子５４の厚みと圧電体素子５４の変形量との合計より厚肉に構成されていて、圧電ポンプ１００の実装時に、圧電体素子５４が実装基板などに接触することを防止している。
【００３２】
ここでダイヤフラム構造体５０は、振動板５１の一面側にのみ圧電体素子５４を設けてユニモルフ型の構造としている。圧電体素子５４に交番電圧（正弦波または矩形波）を印加することにより、圧電体素子５４は拡がり振動モードで振動し、ダイヤフラム構造体５０全体が板厚方向に屈曲する。またダイヤフラム構造体５０の屈曲に伴ってポンプ室天板３０が共振する。その結果、振動板５１とポンプ室天板３０との距離が変化し、気体が開口穴３１からポンプ室４１内に流入または流出する。
【００３３】
圧電体素子５４に印加する交番電圧は、ダイヤフラム構造体５０の一次共振周波数または三次共振周波数とする。これにより、一次または三次共振周波数以外の周波数の交番電圧を印加する場合に比べて変位部材の変位体積を格段に大きくでき、流量を大幅に増加させることができる。
【００３４】
図９は、圧電ポンプ１００の動作を説明する主要部模式断面図である。図中の矢印は気体の流れを示す。
【００３５】
同図（Ａ）は、圧電体素子への交番電圧の非印加時の主要部を示している。このとき、振動板５１はほぼ平坦である。
【００３６】
同図（Ｂ）は、交番電圧の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、振動板５１は下に凸に屈曲するのでポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離が大きくなり、開口穴３１を介してポンプ室４１内に流体通路２２から気体が吸い込まれる。
【００３７】
同図（Ｃ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、振動板５１は平坦に戻り、ポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離が小さくなる。このため、ポンプ室４１内の気体は開口穴３１，１１を通って押し出される。この開口穴１１から流出する気流には、流体通路２２の気体が巻き込まれ、また、開口穴１１の外側でも、開口穴１１周囲の気体が巻き込まれる。
【００３８】
同図（Ｄ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、振動板５１は上に凸に屈曲し、ポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離がさらに小さくなる。このため、ポンプ室４１内の気体は、開口穴３１，１１を通って押し出される。この開口穴１１から流出する気流には、流体通路２２の気体が巻き込まれ、また、開口穴１１の外側でも、開口穴１１周囲の気体が巻き込まれる。
【００３９】
同図（Ｅ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、振動板５１は平坦に戻り、ポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離が大きくなる。容積が拡大するため、流体通路２２を流れる気体の一部は、開口穴３１を通じてポンプ室４１内に吸い込まれる。しかしながら、流体通路２２を流れる気体のほとんどは、慣性により開口穴１１から流出し続ける。
【００４０】
以上の変形を振動板５１は周期的に繰り返す。ポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離の増大により、流路中央室２１、流体通路２２、流入穴３２、流入穴４２、流入穴５２、および、流入穴６２を介して、ポンプ室４１の内部に気体が流入し、ポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離の減少により、ポンプ室４１、開口穴３１、流路中央室２１、および開口穴１１を介して、圧電ポンプの外部に気体が流出する。圧電体素子を高い周波数で振動させることにより、流体通路２２を流れる気体の慣性が終息することなく、開口穴１１から気体を連続して流出させられる。
【００４１】
以下、ダイヤフラム構造体５０の構成例を図１０に基づいて説明する。
【００４２】
圧電体素子５４は、厚さ約０．２ｍｍで、常温（約２０℃〜３０℃）での線膨張係数が約１×１０−６／Ｋであり、交番電圧が印加されて振動する。この構成での交番電圧は、約２３ｋＨｚの周波数で、±５Ｖ（１０Ｖｐｐ）〜±１０Ｖ（２０Ｖｐｐ）程度の振幅が望ましい。
【００４３】
振動板５１はＦｅ−４２Ｎｉ合金からなり、厚さが０．０８ｍｍ、常温での線膨張係数が７×１０−６／Ｋである。
【００４４】
中間板５３はＳＰＣＣからなり、厚さが０．１５ｍｍ、常温での線膨張係数が、圧電体素子５４の線膨張係数および振動板５１の線膨張係数よりも大きい１１×１０−６／Ｋである。
【００４５】
このダイヤフラム構造体５０は、圧電体素子５４と中間板５３と振動板５１とを、熱硬化性接着剤で接着され加熱硬化されて接合される。したがって、圧電体素子５４と中間板５３と振動板５１のそれぞれが熱膨張した状態で接合される。
【００４６】
中間板５３の線膨張係数が圧電体素子５４の熱膨張係数および振動板５１の熱膨張係数よりも大きいため、中間板５３は、冷却後に圧電体素子５４や振動板５１よりも収縮しようとする。したがって、冷却後の圧電体素子５４および振動板５１には、圧縮方向の残留応力が付与され、中間板５３には引っ張り方向の残留応力が付与される。
【００４７】
図１０（Ａ）は、静定状態でのダイヤフラム構造体５０の部分断面図である。
【００４８】
この状態のダイヤフラム構造体５０は、中間板５３に引っ張り方向の残留応力が生じるとともに、圧電体素子５４と振動板５１とに圧縮方向の残留応力が生じる。中間板５３の両面、即ち圧電体素子５４と振動板５１とでは、残留応力の方向がともに等しく圧縮であり、残留応力がバランスよく残留する。このため、ダイヤフラム構造体５０の反りは抑制される。ダイヤフラム構造体５０の反りが抑制されるため、圧電体素子５４の表面近傍にも圧縮方向の大きな残留応力が付与される。なお、圧電体素子５４と振動板５１との線膨張係数が近ければ、ダイヤフラム構造体５０の反りを効果的に抑制でき好適である。
【００４９】
同図（Ｂ）は、交番電圧の印加により圧電体素子側に凸に屈曲した状態でのダイヤフラム構造体５０の部分断面図である。
【００５０】
ダイヤフラム構造体５０の圧電体素子５４に交番電圧を印加すると、ダイヤフラム構造体５０が振動する。これにより、圧電体素子５４には引っ張り応力または圧縮応力が作用する。このダイヤフラム構造体５０では、交番電圧の印加前に反りがほとんど無いため、圧電体素子５４に圧縮方向の大きな残留応力が付与されている。したがって、屈曲により圧電体素子５４に作用する引っ張り応力は、この圧縮方向の残留応力により相殺され、圧電体が破壊する危険性は低減される。
【００５１】
なお、加熱温度については、熱硬化性樹脂のガラス転移温度にもよるが、８０℃〜１５０℃程度が好ましい。加熱温度が高すぎると、熱衝撃に耐えられずに、接合部が剥離してしまうことがあるためである。
【００５２】
振動板５１は常温での線膨張係数が１×１０−６／Ｋ〜７×１０−６／Ｋの範囲内であれば好適であり、Ｆｅ−４２Ｎｉ合金の他、Ｆｅ−３６Ｎｉ合金などでも構成できる。中間板５３は常温での線膨張係数が１１×１０−６／Ｋ〜１７×１０−６／Ｋの範囲内であれば好適であり、ＳＰＣＣの他、ＳＵＳ４３０やＳＵＳ３０４などでも構成できる。圧電体素子５４は常温での旋膨張係数が１×１０−６／Ｋ〜７×１０−６／Ｋの範囲内であれば好適であり、ＰＺＴの他、ｐｔなどでも構成できる。中間板５３の線膨張係数が圧電体素子５４や振動板５１よりも大きすぎても、熱衝撃などに耐えられずに、接合部が剥離してしまうことがあるためである。
【００５３】
振動板５１は厚みが圧電体素子５４に対して０．４倍以上０．６倍以下であれば好適である。仮に振動板５１の厚みが薄過ぎる場合には圧電体素子５４の残留応力の勾配が大きくなり、圧電体素子５４の表面に十分な圧縮方向の残留応力を付与できず、厚すぎる場合には十分な振動の振幅が得られないためである。
【００５４】
中間板５３は、厚みが圧電体素子に対して０．５倍以上で１．０倍以下であれば好適である。仮に中間板５３の厚みが薄すぎる場合には圧電体素子５４に対して十分な圧縮方向の残留応力を付与できず、また、ダイヤフラム構造体５０の振動の共振周波数が低下するためであり、仮に中間板５３の厚みが厚すぎる場合には、ダイヤフラム構造体５０の屈曲振動の共振が高くなりすぎ、十分な振幅が得られないためである。
【００５５】
ダイヤフラム構造体５０を除く他の部材を同一の材料で構成すると、圧電ポンプ１００のダイヤフラム構造体５０を除く他の部材の温度変化による変形を抑制でき、圧電ポンプ１００に温度特性を小さくすることができるため好適である。
【００５６】
また、ダイヤフラム構造体５０の全体としての線膨張係数は、ダイヤフラム構造体５０を除く他の部材の線膨張係数よりも小さなものにする。そのため、圧電ポンプ１００のダイヤフラム構造体５０を除く他の部材に中間板５３と同一材料を採用して、線膨張係数を中間板５３と同程度にしておけば、接着して熱を加えた時に、他部材のほうがダイヤフラム構造体５０よりも膨張して、ダイヤフラム構造体５０の振動板５１に圧縮方向の残留応力を付与することができる。このようにすれば、温度変化により振動板が変形した場合でも、振動板に引っ張り応力が加わらないため、温度特性の小さな圧電ポンプを構成することができる。
【００５７】
次に、同圧電ポンプに採用するダイヤフラム構造体の他の実施形態を説明する。図１１はそのダイヤフラム構造体の断面図である。
【００５８】
同図（Ａ）に示すダイヤフラム構造体７０は、振動板７１と上圧電体素子７４Ａと中間板７３と下圧電体素子７４Ｂとを備える。上圧電体素子７４Ａは請求項１の第二の接合部に相当し、中間板７３は請求項１の第一の接合部に相当し、下圧電体素子７４Ｂは請求項１の圧電部に相当する。上圧電体素子７４Ａと中間板７３と下圧電体素子７４Ｂとは同一形状であり、上圧電体素子７４Ａと下圧電体素子７４Ｂとは同一素材でもある。ここで、中間板７３を線膨張係数の高い材料で構成し、上圧電体素子７４Ａと下圧電体素子７４Ｂとを線膨張係数の低い材料で構成する。なお、振動板７１については、上圧電体素子７４Ａと同程度の線膨張係数の材料で構成すると好適である。
【００５９】
ここで、振動板７１と上圧電体素子７４Ａと中間板７３と下圧電体素子７４Ｂとは、熱硬化性接着剤で接着し加熱硬化により熱接合する。
【００６０】
このような構成であっても、ダイヤフラム構造体７０は、中間板７３に引っ張り方向の残留応力が生じるとともに、上圧電体素子７４Ａと下圧電体素子７４Ｂとに圧縮方向の残留応力が生じる。中間板７３の両面、即ち上圧電体素子７４Ａと下圧電体素子７４Ｂとでは、残留応力の方向がともに等しく圧縮であり、残留応力がバランスよく残留する。このため、ダイヤフラム構造体７０の反りは抑制され、圧電体素子７４Ａ，７４Ｂの表面近傍に圧縮方向の大きな残留応力が付与される。
【００６１】
同図（Ｂ）に示すダイヤフラム構造体９０は、振動板９１と圧電体素子９４と接合部９５とを備える。圧電体素子９４は請求項１の圧電部に相当し、振動板９１は請求項１の第一の接合部に相当し、接合部９５は請求項１の第二の接合部に相当する。圧電体素子９４と接合部９５とは同一形状である。ここでは、接合部９５はインバーなどの素材である。ここで、振動板９１を線膨張係数の高い材料で構成し、圧電体素子９４と接合部９５とを線膨張係数の低い材料で構成する。
【００６２】
ここで、振動板９１と圧電体素子９４と接合部９５とは、熱硬化性接着剤で接着し加熱硬化により熱接合する。
【００６３】
このような構成であっても、ダイヤフラム構造体９０は、振動板９１に引っ張り方向の残留応力が生じるとともに、圧電体素子９４と接合部９５とに圧縮方向の残留応力が生じる。振動板９１の両面、即ち圧電体素子９４と接合部９５とでは、残留応力の方向がともに等しく圧縮であり、残留応力がバランスよく残留する。このため、ダイヤフラム構造体９０の反りは抑制され、圧電体素子９４の表面近傍と接合部９５の表面近傍とに圧縮方向の大きな残留応力が付与される。
【００６４】
同図（Ｃ）に示すダイヤフラム構造体１１０は、振動板１１１と圧電体素子１１４と接合部１１５とを備える。圧電体素子１１４は請求項２の圧電部に相当し、振動板１１１は請求項２の第一の接合部に相当し、接合部１１５は請求項２の第二の接合部に相当する。圧電体素子１１４と接合部１１５とは同一形状である。ここでは、接合部１１５は振動板１１１と同一素材である。ここで、振動板１１１と接合部１１５とを線膨張係数の高い材料で構成し、圧電体素子１１４を線膨張係数の低い材料で構成する。
【００６５】
ここで、振動板１１１と圧電体素子１１４と接合部１１５とは、熱硬化性接着剤で接着し加熱硬化により熱接合する。
【００６６】
振動板１１１の熱膨張係数および接合部１１５の熱膨張係数が、圧電体素子１１４の線膨張係数よりも大きいため、冷却後に振動板１１１および接合部１１５は、圧電体素子１１４よりも収縮しようとする。したがって、冷却後の圧電体素子１１４には、圧縮方向の残留応力が付与され、振動板１１１および接合部１１５には引っ張り方向の残留応力が付与される。なお、圧電体素子１１４は、圧電素子単板２枚を貼り合わせたバイモルフである。
【００６７】
図１２（Ａ）は、静定状態でのダイヤフラム構造体１１０の部分断面図である。
【００６８】
この状態のダイヤフラム構造体１１０は、振動板１１１および接合部１１５に引っ張り方向の残留応力が生じるとともに、圧電体素子１１４に圧縮方向の残留応力が生じる。圧電体素子１１４の両面、即ち振動板１１１と接合部１１５とでは、残留応力の方向がともに等しく引っ張りであり、残留応力がバランスよく残留する。このため、ダイヤフラム構造体１１０の反りは抑制される。ダイヤフラム構造体１１０の反りが抑制されるため、圧電体素子１１４の内部には圧縮方向の大きな残留応力が付与される。なお、接合部１１５と振動板１１１との線膨張係数が近ければ、ダイヤフラム構造体１１０の反りを効果的に抑制でき好適である。
【００６９】
同図（Ｂ）は、交番電圧の印加により屈曲した状態でのダイヤフラム構造体１１０の部分断面図である。
【００７０】
ダイヤフラム構造体１１０の圧電体素子１１４に交番電圧を印加すると、ダイヤフラム構造体１１０が振動する。これにより、圧電体素子１１４には引っ張り応力または圧縮応力が作用する。このダイヤフラム構造体１１０では、交番電圧の印加前に反りがほとんど無いため、圧電体素子１１４には、厚み方向に勾配の小さな圧縮応力が残留している。したがって、屈曲により圧電体素子１１４に作用する引っ張り応力は、この圧縮方向の残留応力により相殺され、圧電体が破壊する危険性は低減される。
【００７１】
ここでは、電子機器の空冷用の圧電ポンプを説明したが、本発明は、燃料電池への酸素など気体の搬送用ポンプなどとして利用することもでき、また、液体を搬送する冷却水輸送用ポンプや燃料輸送用ポンプとしても利用することもできる。圧電ポンプの構成についても上述の構成に限らず、ポンプ室の壁面をダイヤフラム構造体の振動板で構成するものならば、どのような構成にも採用できる。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電体素子などの圧電部を備える振動装置と、振動装置として構成されていて、ポンプ室の壁面を構成する振動板を圧電部により振動させ、流体を搬送する圧電ポンプと、に関する。
【背景技術】
【０００２】
引っ張り応力に対して弱く、破損しやすい圧電体薄膜に対して、圧縮方向の残留応力を付与することで引っ張り応力による破壊を防止する技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記圧電体薄膜は、圧電体薄膜よりも線膨張係数が大きい基板に、加熱環境下で成膜される。これにより、圧電体薄膜を冷却すると基板が圧電体薄膜より大きく収縮するため、圧電体薄膜に圧縮方向の残留応力が付与される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４６６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１は、従来の圧電体薄膜や圧電体素子の断面図である。
【０００６】
構造体２００は、圧電体層２０１を基板２０２に熱接合し、熱接合後に冷却されて構成される。同図（Ａ）は、冷却後の静定状態での構造体２００の断面図である。この状態の構造体２００は、基板２０２に引っ張り方向の残留応力が生じるとともに、圧電体層２０１に圧縮方向の残留応力が生じる。この構造体２００では、圧電体層側と基板側とで残留応力が相違するため、構造体２００は圧電体層側が伸長し基板側が収縮して、構造体２００に微小な反りが生じる。圧電体層側の伸長により、圧電体層２０１内での残留応力の勾配は大きくなり、圧電体層２０１の表面近傍には、圧縮方向の残留応力がほとんど生じない。
【０００７】
このような従来の圧電体素子や圧電体薄膜を、交番電圧の印加により振動させる振動装置や圧電ポンプでは、圧電体層が振動すると、圧電体層に引っ張り応力または圧縮応力が作用することになる。
【０００８】
同図（Ｂ）は、振動により圧電層側に凸に屈曲した状態での構造体２００の断面図である。この構造体２００では、圧電体層２０１に圧縮方向の残留応力を予め付与していたため、振動により作用する引っ張り応力は低減される。しかしながら、圧電体層２０１はもとより反っていて、圧電体表面近傍には、圧縮方向の残留応力がほとんど付与されていないため、圧電体表面からクラックが生じ、圧電体が破壊する虞がある。
【０００９】
また、ポンプ室の壁面を振動板で構成し、振動板を圧電体素子や圧電体薄膜により振動させてポンプ室内の流体を搬送するようにした圧電ポンプでは、圧電体層の破壊により、流体の搬送ができなくなる虞がある。
【００１０】
そこで、本発明は、圧電体層が反ることをなくし、振動によって圧電体層に引っ張り応力が作用して圧電体層が破壊する危険性を低減した振動装置、および、振動装置であって、流体の搬送ができなくなる危険性を低減した圧電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】
【００１１】
この発明の振動装置は、圧電部と第一の接合部と第二の接合部とを備える。圧電部は、平板状である。第一の接合部は、圧電部の主面に接合され、圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する。第二の接合部は、圧電部の主面に対向するように第一の接合部に接合され第一の接合部から圧縮方向の残留応力が付与される。そして、第一の接合部が引っ張り方向の残留応力を有する。または、この発明の振動装置は、圧電部と第一の接合部と第二の接合部とを備える。圧電部は、平板状である。第一の接合部は、圧電部の主面に接合され、圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する。第二の接合部は、第一の接合部の主面に対向するように圧電部に接合され圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する。そして、第一の接合部と第二の接合部とのうち、少なくとも第一の接合部は引っ張り方向の残留応力を有する。なお、圧電部に印加される交番電圧の周波数は、前記振動装置の共振周波数であると好適である。
【００１２】
したがって、圧電部には圧縮方向の残留応力が付与される。圧電体と第一の接合部と第二の接合部とからなる構造体は、両主面側で残留応力がバランスよく残留し反りが抑制される。これにより、圧電部の表面近傍にも圧縮方向の残留応力が付与され、仮に圧電部に交番電圧を印加して振動させても、その振動によって圧電部に作用する引っ張り応力を、圧電部の圧縮方向の残留応力により相殺できる。
【００１３】
圧電ポンプは、上述の振動装置とポンプ本体とを備える。ポンプ本体は開口穴を介して外部に連通するポンプ室を有する。ここで、ポンプ室の壁面の一部を構成する振動板を、第一の接合部または第二の接合部に備えると、圧電部の破壊により流体の搬送ができなくなる危険性を低減でき好適である。
【００１４】
この発明の圧電ポンプは、圧電体素子と中間板と振動板とポンプ本体とを備える。圧電体素子は、平板状である。中間板は、圧電体素子の主面に接合され、圧電体素子の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する。振動板は、圧電体素子の主面に対向するように中間板に接合されて中間板から圧縮方向の残留応力が付与され、且つ、開口穴を有する。ポンプ本体は、開口穴を介して外部に連通するポンプ室を有する。そして、この圧電ポンプは、中間板が引っ張り方向の残留応力を有し、圧電体素子に交番電圧が印加されることで振動板がポンプ室側とポンプ室とは逆側とに交互に屈曲して、流体を流動させる。
【００１５】
したがって、加熱環境下で圧電体素子と振動板とを中間板に接着すると、冷却後、圧電体素子と振動板とに圧縮応力が付与され、中間板に引っ張り応力が付与される。このため、圧電体素子と振動板とで残留応力がバランスよく残留し、冷却後の反りが抑制される。これにより、圧電体素子の表面近傍にも圧縮方向の残留応力が付与される。したがって、仮に圧電体素子に交番電圧を印加して振動させても、その振動によって圧電体素子に作用する引っ張り応力を、圧電体素子の圧縮方向の残留応力により相殺できる。
【００１６】
なお、この圧電ポンプは、中間板から圧電体素子に付与される残留応力の大きさは、交番電圧の印加に伴って振動板がポンプ室とは逆側に屈曲する際に作用する応力の大きさよりも、圧電体素子における主面に垂直な厚み方向の全域に亘って圧縮方向に大きい、と好適である。
【００１７】
中間板は、その線膨張係数が、振動板の線膨張係数および圧電体素子の線膨張係数よりも大きいとき、特に圧電体素子の表面近傍にも圧縮方向の残留応力をバランスよく残留させることができ、圧電体素子表面におけるクラックを防ぐことができる。
【００１８】
ポンプ本体は、複数の構成部材の線膨張係数が互いに等しいと、温度変化によるポンプ本体の構成部材の変形を抑制して、温度変化による変形の小さな圧電ポンプを構成でき好適である。
【００１９】
圧電体素子と中間板と振動板とからなる構造体は、全体としての線膨張係数がポンプ本体の線膨張係数よりも小さいと、振動板に圧縮方向の残留応力が付与される。この場合、温度変化により振動板が変形した場合であっても、振動板に引っ張り応力が加わらないため、温度変化による変形の小さな圧電ポンプを構成することができる。また、振動がポンプ本体に漏れにくくなりポンプ効率が向上する。
【発明の効果】
【００２０】
この発明では、残留応力をバランスよく残留させることで構造体の反りを抑制し、圧電体に圧縮方向の大きな残留応力を確実に付与する。したがって、振動によって圧電体層に引っ張り応力が作用しても、圧電体層が破壊する危険性を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来構成を説明する図である。
【図２】第１の実施形態の圧電ポンプの断面図である。
【図３】同圧電ポンプの天板の平面図である。
【図４】同圧電ポンプの流路板の平面図である。
【図５】同圧電ポンプのポンプ室天板の平面図である。
【図６】同圧電ポンプのポンプ室形成板の平面図である。
【図７】同圧電ポンプのダイヤフラム構造体の図である。
【図８】同圧電ポンプの底板の平面図である。
【図９】同圧電ポンプの動作を説明する図である。
【図１０】同ダイヤフラム構造体の断面図である。
【図１１】同圧電ポンプのダイヤフラム構造体の他の構成例を説明する図である。
【図１２】ダイヤフラム構造体の構成例を説明する図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０…天板
１１…開口穴
２０…流路板
２１…流路中央室
２２…流体通路
３０…ポンプ室天板
３１…開口穴
３２…流入穴
４０…ポンプ室形成板
４１…ポンプ室
４２…流入穴
５０，７０，９０，１１０…ダイヤフラム構造体
５１，７１，９１，１１１…振動板
５２…流入穴
５３，７３…中間板
５４，７４，９４，１１４…圧電体素子
６０…底板
６１…圧電体素子収容室
６２…流入穴
９５，１１５…接合部
１００…圧電ポンプ
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の振動装置を圧電ポンプに適用した第１の実施形態を説明する。
【００２４】
図２（Ａ）は、同実施形態の圧電ポンプ１００の断面図である。また、図２（Ｂ）は、圧電ポンプ１００による流体の流れを説明する図である。ここでは、電子機器の空冷用途の圧電ポンプの構成例を示している。
【００２５】
圧電ポンプ１００は、天板１０と流路板２０とポンプ室天板３０とポンプ室形成板４０と振動板５１と中間板５３と圧電体素子５４と底板６０とを備える。振動板５１と中間板５３と圧電体素子５４とは、熱硬化性接着剤を塗布して加熱されることで、予め熱接合され、後述するダイヤフラム構造体５０が構成されている。ダイヤフラム構造体５０は、請求項１の振動装置に相当する。なお、圧電ポンプ１００のダイヤフラム構造体５０を除く部材が、ポンプ本体を構成する。
【００２６】
天板１０は、開口穴１１を備え、流路板２０に接合されている。この天板１０の平面図を図３に示す。天板１０は外形が四角形の平板であり、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）のような剛性のある材料で構成されている。天板１０の中心部には、開口穴１１が形成されている。開口穴１１は、圧電ポンプ１００の外部と流路板２０の流路中央室２１とに通じている。
【００２７】
流路板２０は、流路中央室２１と流体通路２２を備え、天板１０とポンプ室天板３０とに接合されている。この流路板２０の平面図を図４に示す。流路板２０は天板１０と同一外形を有する平板であり、天板１０と同一材料で構成されている。流路板２０の中心部には、流路中央室２１が形成され、流路中央室２１から平板の四隅にかけて４本の流体通路２２が形成されている。流路中央室２１は、開口穴１１よりも大径であり、開口穴１１とポンプ室天板３０の開口穴３１とに通じている。また、流体通路２２は、流路中央室２１とポンプ室天板３０の流入穴３２とに通じている。流路中央室２１に複数の流体通路２２を通じさせているため、流体通路２２での抵抗が低減され、気体は流路中央室２１へ引き寄せられる。したがって、気体流量の増加を図ることができる。
【００２８】
ポンプ室天板３０は、開口穴３１と流入穴３２を備え、流路板２０とポンプ室形成板４０とに接合されている。このポンプ室天板３０の平面図を図５に示す。ポンプ室天板３０は流路板２０と同一外形を有する平板であり、流路板２０と同一材料で構成されている。ポンプ室天板３０の中心部には、開口穴３１が形成され、平板の四隅には４つの流入穴３２が形成されている。開口穴３１は開口穴１１とほぼ同一径であり、流路中央室２１とポンプ室形成板４０のポンプ室４１とに通じている。また、流入穴３２は、流体通路２２とポンプ室形成板４０の流入穴４２とに通じている。なお、開口穴３１は開口穴１１と径が異なっていても良いが、流路中央室２１よりも小さい径が好ましい。また、ポンプ室天板３０は、流路板２０と異なる材料で構成されていてもよく、例えば、ばね弾性を持つ材料で構成されると好適である。
【００２９】
ポンプ室形成板４０はポンプ室４１と流入穴４２を備え、ポンプ室天板３０と振動板５１とに接合されている。このポンプ室形成板４０の平面図を図６に示す。ポンプ室形成板４０はポンプ室天板３０と同一外形を有する平板であり、ポンプ室天板３０と同一材料で構成されている。ポンプ室形成板４０の中心部には、円形のポンプ室４１が形成され、平板の四隅には４つの流入穴４２が形成されている。ポンプ室４１は流路中央室２１よりも大径であり、開口穴３１に連通している。また、流入穴４２は、流入穴３２と振動板５１の流入穴５２とに通じている。
【００３０】
振動板５１は、中間板５３と圧電体素子５４とが予め接合されている。具体的には、接着剤を塗布し加熱硬化することで接着されている。これらによってダイヤフラム構造体５０が構成されている。ダイヤフラム構造体５０の断面図を図７（Ａ）に、ダイヤフラム構造体５０の平面図を図７（Ｂ）に示す。振動板５１は、ポンプ室形成板４０と同一外形を有する平板であり、平板の四隅に４つの流入穴５２を備えている。振動板５１は、ポンプ室形成板４０と底板６０とに接合されている。流入穴５２は、流入穴４２と底板６０の流入穴６２とに通じている。中間板５３は円形の外形を有する平板であり、振動板５１の中央部に熱接合されている。圧電体素子５４は、中間板５３と同一外形を有する平板であり、中間板５３の中央部に熱接合されている。
【００３１】
底板６０は圧電体素子収容室６１と流入穴６２を備え、ダイヤフラム構造体５０の振動板５１に接合されている。この底板６０の平面図を図８に示す。底板６０は振動板５１と同一外形を有する平板である。底板６０の中心部には、円形の圧電体素子収容室６１が形成され、平板の四隅には４つの流入穴６２が形成されている。圧電体素子収容室６１は、ダイヤフラム構造体５０の中間板５３および圧電体素子５４を収容する。また、流入穴６２は、流入穴５２に連通している。底板６０は、中間板５３の厚みと圧電体素子５４の厚みと圧電体素子５４の変形量との合計より厚肉に構成されていて、圧電ポンプ１００の実装時に、圧電体素子５４が実装基板などに接触することを防止している。
【００３２】
ここでダイヤフラム構造体５０は、振動板５１の一面側にのみ圧電体素子５４を設けてユニモルフ型の構造としている。圧電体素子５４に交番電圧（正弦波または矩形波）を印加することにより、圧電体素子５４は拡がり振動モードで振動し、ダイヤフラム構造体５０全体が板厚方向に屈曲する。またダイヤフラム構造体５０の屈曲に伴ってポンプ室天板３０が共振する。その結果、振動板５１とポンプ室天板３０との距離が変化し、気体が開口穴３１からポンプ室４１内に流入または流出する。
【００３３】
圧電体素子５４に印加する交番電圧は、ダイヤフラム構造体５０の一次共振周波数または三次共振周波数とする。これにより、一次または三次共振周波数以外の周波数の交番電圧を印加する場合に比べて変位部材の変位体積を格段に大きくでき、流量を大幅に増加させることができる。
【００３４】
図９は、圧電ポンプ１００の動作を説明する主要部模式断面図である。図中の矢印は気体の流れを示す。
【００３５】
同図（Ａ）は、圧電体素子への交番電圧の非印加時の主要部を示している。このとき、振動板５１はほぼ平坦である。
【００３６】
同図（Ｂ）は、交番電圧の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、振動板５１は下に凸に屈曲するのでポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離が大きくなり、開口穴３１を介してポンプ室４１内に流体通路２２から気体が吸い込まれる。
【００３７】
同図（Ｃ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、振動板５１は平坦に戻り、ポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離が小さくなる。このため、ポンプ室４１内の気体は開口穴３１，１１を通って押し出される。この開口穴１１から流出する気流には、流体通路２２の気体が巻き込まれ、また、開口穴１１の外側でも、開口穴１１周囲の気体が巻き込まれる。
【００３８】
同図（Ｄ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、振動板５１は上に凸に屈曲し、ポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離がさらに小さくなる。このため、ポンプ室４１内の気体は、開口穴３１，１１を通って押し出される。この開口穴１１から流出する気流には、流体通路２２の気体が巻き込まれ、また、開口穴１１の外側でも、開口穴１１周囲の気体が巻き込まれる。
【００３９】
同図（Ｅ）は、次の１／４周期経過時の主要部を示している。このとき、振動板５１は平坦に戻り、ポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離が大きくなる。容積が拡大するため、流体通路２２を流れる気体の一部は、開口穴３１を通じてポンプ室４１内に吸い込まれる。しかしながら、流体通路２２を流れる気体のほとんどは、慣性により開口穴１１から流出し続ける。
【００４０】
以上の変形を振動板５１は周期的に繰り返す。ポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離の増大により、流路中央室２１、流体通路２２、流入穴３２、流入穴４２、流入穴５２、および、流入穴６２を介して、ポンプ室４１の内部に気体が流入し、ポンプ室４１の振動板５１と開口穴３１との距離の減少により、ポンプ室４１、開口穴３１、流路中央室２１、および開口穴１１を介して、圧電ポンプの外部に気体が流出する。圧電体素子を高い周波数で振動させることにより、流体通路２２を流れる気体の慣性が終息することなく、開口穴１１から気体を連続して流出させられる。
【００４１】
以下、ダイヤフラム構造体５０の構成例を図１０に基づいて説明する。
【００４２】
圧電体素子５４は、厚さ約０．２ｍｍで、常温（約２０℃〜３０℃）での線膨張係数が約１×１０−６／Ｋであり、交番電圧が印加されて振動する。この構成での交番電圧は、約２３ｋＨｚの周波数で、±５Ｖ（１０Ｖｐｐ）〜±１０Ｖ（２０Ｖｐｐ）程度の振幅が望ましい。
【００４３】
振動板５１はＦｅ−４２Ｎｉ合金からなり、厚さが０．０８ｍｍ、常温での線膨張係数が７×１０−６／Ｋである。
【００４４】
中間板５３はＳＰＣＣからなり、厚さが０．１５ｍｍ、常温での線膨張係数が、圧電体素子５４の線膨張係数および振動板５１の線膨張係数よりも大きい１１×１０−６／Ｋである。
【００４５】
このダイヤフラム構造体５０は、圧電体素子５４と中間板５３と振動板５１とを、熱硬化性接着剤で接着され加熱硬化されて接合される。したがって、圧電体素子５４と中間板５３と振動板５１のそれぞれが熱膨張した状態で接合される。
【００４６】
中間板５３の線膨張係数が圧電体素子５４の熱膨張係数および振動板５１の熱膨張係数よりも大きいため、中間板５３は、冷却後に圧電体素子５４や振動板５１よりも収縮しようとする。したがって、冷却後の圧電体素子５４および振動板５１には、圧縮方向の残留応力が付与され、中間板５３には引っ張り方向の残留応力が付与される。
【００４７】
図１０（Ａ）は、静定状態でのダイヤフラム構造体５０の部分断面図である。
【００４８】
この状態のダイヤフラム構造体５０は、中間板５３に引っ張り方向の残留応力が生じるとともに、圧電体素子５４と振動板５１とに圧縮方向の残留応力が生じる。中間板５３の両面、即ち圧電体素子５４と振動板５１とでは、残留応力の方向がともに等しく圧縮であり、残留応力がバランスよく残留する。このため、ダイヤフラム構造体５０の反りは抑制される。ダイヤフラム構造体５０の反りが抑制されるため、圧電体素子５４の表面近傍にも圧縮方向の大きな残留応力が付与される。なお、圧電体素子５４と振動板５１との線膨張係数が近ければ、ダイヤフラム構造体５０の反りを効果的に抑制でき好適である。
【００４９】
同図（Ｂ）は、交番電圧の印加により圧電体素子側に凸に屈曲した状態でのダイヤフラム構造体５０の部分断面図である。
【００５０】
ダイヤフラム構造体５０の圧電体素子５４に交番電圧を印加すると、ダイヤフラム構造体５０が振動する。これにより、圧電体素子５４には引っ張り応力または圧縮応力が作用する。このダイヤフラム構造体５０では、交番電圧の印加前に反りがほとんど無いため、圧電体素子５４に圧縮方向の大きな残留応力が付与されている。したがって、屈曲により圧電体素子５４に作用する引っ張り応力は、この圧縮方向の残留応力により相殺され、圧電体が破壊する危険性は低減される。
【００５１】
なお、加熱温度については、熱硬化性樹脂のガラス転移温度にもよるが、８０℃〜１５０℃程度が好ましい。加熱温度が高すぎると、熱衝撃に耐えられずに、接合部が剥離してしまうことがあるためである。
【００５２】
振動板５１は常温での線膨張係数が１×１０−６／Ｋ〜７×１０−６／Ｋの範囲内であれば好適であり、Ｆｅ−４２Ｎｉ合金の他、Ｆｅ−３６Ｎｉ合金などでも構成できる。中間板５３は常温での線膨張係数が１１×１０−６／Ｋ〜１７×１０−６／Ｋの範囲内であれば好適であり、ＳＰＣＣの他、ＳＵＳ４３０やＳＵＳ３０４などでも構成できる。圧電体素子５４は常温での旋膨張係数が１×１０−６／Ｋ〜７×１０−６／Ｋの範囲内であれば好適であり、ＰＺＴの他、ｐｔなどでも構成できる。中間板５３の線膨張係数が圧電体素子５４や振動板５１よりも大きすぎても、熱衝撃などに耐えられずに、接合部が剥離してしまうことがあるためである。
【００５３】
振動板５１は厚みが圧電体素子５４に対して０．４倍以上０．６倍以下であれば好適である。仮に振動板５１の厚みが薄過ぎる場合には圧電体素子５４の残留応力の勾配が大きくなり、圧電体素子５４の表面に十分な圧縮方向の残留応力を付与できず、厚すぎる場合には十分な振動の振幅が得られないためである。
【００５４】
中間板５３は、厚みが圧電体素子に対して０．５倍以上で１．０倍以下であれば好適である。仮に中間板５３の厚みが薄すぎる場合には圧電体素子５４に対して十分な圧縮方向の残留応力を付与できず、また、ダイヤフラム構造体５０の振動の共振周波数が低下するためであり、仮に中間板５３の厚みが厚すぎる場合には、ダイヤフラム構造体５０の屈曲振動の共振が高くなりすぎ、十分な振幅が得られないためである。
【００５５】
ダイヤフラム構造体５０を除く他の部材を同一の材料で構成すると、圧電ポンプ１００のダイヤフラム構造体５０を除く他の部材の温度変化による変形を抑制でき、圧電ポンプ１００に温度特性を小さくすることができるため好適である。
【００５６】
また、ダイヤフラム構造体５０の全体としての線膨張係数は、ダイヤフラム構造体５０を除く他の部材の線膨張係数よりも小さなものにする。そのため、圧電ポンプ１００のダイヤフラム構造体５０を除く他の部材に中間板５３と同一材料を採用して、線膨張係数を中間板５３と同程度にしておけば、接着して熱を加えた時に、他部材のほうがダイヤフラム構造体５０よりも膨張して、ダイヤフラム構造体５０の振動板５１に圧縮方向の残留応力を付与することができる。このようにすれば、温度変化により振動板が変形した場合でも、振動板に引っ張り応力が加わらないため、温度特性の小さな圧電ポンプを構成することができる。
【００５７】
次に、同圧電ポンプに採用するダイヤフラム構造体の他の実施形態を説明する。図１１はそのダイヤフラム構造体の断面図である。
【００５８】
同図（Ａ）に示すダイヤフラム構造体７０は、振動板７１と上圧電体素子７４Ａと中間板７３と下圧電体素子７４Ｂとを備える。上圧電体素子７４Ａは請求項１の第二の接合部に相当し、中間板７３は請求項１の第一の接合部に相当し、下圧電体素子７４Ｂは請求項１の圧電部に相当する。上圧電体素子７４Ａと中間板７３と下圧電体素子７４Ｂとは同一形状であり、上圧電体素子７４Ａと下圧電体素子７４Ｂとは同一素材でもある。ここで、中間板７３を線膨張係数の高い材料で構成し、上圧電体素子７４Ａと下圧電体素子７４Ｂとを線膨張係数の低い材料で構成する。なお、振動板７１については、上圧電体素子７４Ａと同程度の線膨張係数の材料で構成すると好適である。
【００５９】
ここで、振動板７１と上圧電体素子７４Ａと中間板７３と下圧電体素子７４Ｂとは、熱硬化性接着剤で接着し加熱硬化により熱接合する。
【００６０】
このような構成であっても、ダイヤフラム構造体７０は、中間板７３に引っ張り方向の残留応力が生じるとともに、上圧電体素子７４Ａと下圧電体素子７４Ｂとに圧縮方向の残留応力が生じる。中間板７３の両面、即ち上圧電体素子７４Ａと下圧電体素子７４Ｂとでは、残留応力の方向がともに等しく圧縮であり、残留応力がバランスよく残留する。このため、ダイヤフラム構造体７０の反りは抑制され、圧電体素子７４Ａ，７４Ｂの表面近傍に圧縮方向の大きな残留応力が付与される。
【００６１】
同図（Ｂ）に示すダイヤフラム構造体９０は、振動板９１と圧電体素子９４と接合部９５とを備える。圧電体素子９４は請求項１の圧電部に相当し、振動板９１は請求項１の第一の接合部に相当し、接合部９５は請求項１の第二の接合部に相当する。圧電体素子９４と接合部９５とは同一形状である。ここでは、接合部９５はインバーなどの素材である。ここで、振動板９１を線膨張係数の高い材料で構成し、圧電体素子９４と接合部９５とを線膨張係数の低い材料で構成する。
【００６２】
ここで、振動板９１と圧電体素子９４と接合部９５とは、熱硬化性接着剤で接着し加熱硬化により熱接合する。
【００６３】
このような構成であっても、ダイヤフラム構造体９０は、振動板９１に引っ張り方向の残留応力が生じるとともに、圧電体素子９４と接合部９５とに圧縮方向の残留応力が生じる。振動板９１の両面、即ち圧電体素子９４と接合部９５とでは、残留応力の方向がともに等しく圧縮であり、残留応力がバランスよく残留する。このため、ダイヤフラム構造体９０の反りは抑制され、圧電体素子９４の表面近傍と接合部９５の表面近傍とに圧縮方向の大きな残留応力が付与される。
【００６４】
同図（Ｃ）に示すダイヤフラム構造体１１０は、振動板１１１と圧電体素子１１４と接合部１１５とを備える。圧電体素子１１４は請求項２の圧電部に相当し、振動板１１１は請求項２の第一の接合部に相当し、接合部１１５は請求項２の第二の接合部に相当する。圧電体素子１１４と接合部１１５とは同一形状である。ここでは、接合部１１５は振動板１１１と同一素材である。ここで、振動板１１１と接合部１１５とを線膨張係数の高い材料で構成し、圧電体素子１１４を線膨張係数の低い材料で構成する。
【００６５】
ここで、振動板１１１と圧電体素子１１４と接合部１１５とは、熱硬化性接着剤で接着し加熱硬化により熱接合する。
【００６６】
振動板１１１の熱膨張係数および接合部１１５の熱膨張係数が、圧電体素子１１４の線膨張係数よりも大きいため、冷却後に振動板１１１および接合部１１５は、圧電体素子１１４よりも収縮しようとする。したがって、冷却後の圧電体素子１１４には、圧縮方向の残留応力が付与され、振動板１１１および接合部１１５には引っ張り方向の残留応力が付与される。なお、圧電体素子１１４は、圧電素子単板２枚を貼り合わせたバイモルフである。
【００６７】
図１２（Ａ）は、静定状態でのダイヤフラム構造体１１０の部分断面図である。
【００６８】
この状態のダイヤフラム構造体１１０は、振動板１１１および接合部１１５に引っ張り方向の残留応力が生じるとともに、圧電体素子１１４に圧縮方向の残留応力が生じる。圧電体素子１１４の両面、即ち振動板１１１と接合部１１５とでは、残留応力の方向がともに等しく引っ張りであり、残留応力がバランスよく残留する。このため、ダイヤフラム構造体１１０の反りは抑制される。ダイヤフラム構造体１１０の反りが抑制されるため、圧電体素子１１４の内部には圧縮方向の大きな残留応力が付与される。なお、接合部１１５と振動板１１１との線膨張係数が近ければ、ダイヤフラム構造体１１０の反りを効果的に抑制でき好適である。
【００６９】
同図（Ｂ）は、交番電圧の印加により屈曲した状態でのダイヤフラム構造体１１０の部分断面図である。
【００７０】
ダイヤフラム構造体１１０の圧電体素子１１４に交番電圧を印加すると、ダイヤフラム構造体１１０が振動する。これにより、圧電体素子１１４には引っ張り応力または圧縮応力が作用する。このダイヤフラム構造体１１０では、交番電圧の印加前に反りがほとんど無いため、圧電体素子１１４には、厚み方向に勾配の小さな圧縮応力が残留している。したがって、屈曲により圧電体素子１１４に作用する引っ張り応力は、この圧縮方向の残留応力により相殺され、圧電体が破壊する危険性は低減される。
【００７１】
ここでは、電子機器の空冷用の圧電ポンプを説明したが、本発明は、燃料電池への酸素など気体の搬送用ポンプなどとして利用することもでき、また、液体を搬送する冷却水輸送用ポンプや燃料輸送用ポンプとしても利用することもできる。圧電ポンプの構成についても上述の構成に限らず、ポンプ室の壁面をダイヤフラム構造体の振動板で構成するものならば、どのような構成にも採用できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の圧電部と、
前記圧電部の主面に接合され、前記圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する第一の接合部と、
前記圧電部の主面に対向するように前記第一の接合部に接合され、前記第一の接合部から圧縮方向の残留応力が付与される第二の接合部と、を備え、
前記第一の接合部が引っ張り方向の残留応力を有する振動装置。
【請求項２】
平板状の圧電部と、
前記圧電部の主面に接合され、前記圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する第一の接合部と、
前記第一の接合部の主面に対向するように前記圧電部に接合され、前記圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する第二の接合部と、を備え、
前記第一の接合部と前記第二の接合部とのうち、少なくとも前記第一の接合部は引っ張り方向の残留応力を有する振動装置。
【請求項３】
前記圧電部に印加される交番電圧の周波数は、前記振動装置の共振周波数である、請求項１または２に記載の振動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の振動装置と、
開口穴を介して外部に連通するポンプ室を有するポンプ本体と、を備える圧電ポンプであって、
前記第二の接合部は、前記ポンプ室の壁面の一部を構成する振動板を備える、圧電ポンプ。
【請求項５】
請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の振動装置と、
開口穴を介して外部に連通するポンプ室を有するポンプ本体と、を備える圧電ポンプであって、
前記第一の接合部は、前記ポンプ室の壁面の一部を構成する振動板を備える、圧電ポンプ。
【請求項６】
平板状の圧電体素子と、
前記圧電体素子の主面に接合され、前記圧電体素子の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する中間板と、
前記圧電体素子の主面に対向するように前記中間板に接合されて前記中間板から圧縮方向の残留応力が付与され、且つ、開口穴を有する振動板と、
前記開口穴を介して外部に連通するポンプ室を有するポンプ本体と、を備え、
前記中間板が引っ張り方向の残留応力を有し、前記圧電体素子に交番電圧が印加されることで前記振動板が前記ポンプ室側と前記ポンプ室とは逆側とに交互に屈曲して、流体を流動させる圧電ポンプ。
【請求項７】
前記中間板は、その線膨張係数が、前記振動板の線膨張係数および前記圧電体素子の線膨張係数よりも大きい、請求項６に記載の圧電ポンプ。
【請求項８】
前記ポンプ本体は、複数の構成部材を積層して構成され、前記複数の構成部材は線膨張係数が互いに等しい、請求項６または７に記載の圧電ポンプ。
【請求項９】
前記圧電体素子と中間板と振動板とからなる構造体は、全体としての線膨張係数がポンプ本体の線膨張係数よりも小さい、請求項６〜８のうち、いずれか１項に記載の圧電ポンプ。
【請求項１】
平板状の圧電部と、
前記圧電部の主面に接合され、前記圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する第一の接合部と、
前記圧電部の主面に対向するように前記第一の接合部に接合され、前記第一の接合部から圧縮方向の残留応力が付与される第二の接合部と、を備え、
前記第一の接合部が引っ張り方向の残留応力を有する振動装置。
【請求項２】
平板状の圧電部と、
前記圧電部の主面に接合され、前記圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する第一の接合部と、
前記第一の接合部の主面に対向するように前記圧電部に接合され、前記圧電部の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する第二の接合部と、を備え、
前記第一の接合部と前記第二の接合部とのうち、少なくとも前記第一の接合部は引っ張り方向の残留応力を有する振動装置。
【請求項３】
前記圧電部に印加される交番電圧の周波数は、前記振動装置の共振周波数である、請求項１または２に記載の振動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の振動装置と、
開口穴を介して外部に連通するポンプ室を有するポンプ本体と、を備える圧電ポンプであって、
前記第二の接合部は、前記ポンプ室の壁面の一部を構成する振動板を備える、圧電ポンプ。
【請求項５】
請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の振動装置と、
開口穴を介して外部に連通するポンプ室を有するポンプ本体と、を備える圧電ポンプであって、
前記第一の接合部は、前記ポンプ室の壁面の一部を構成する振動板を備える、圧電ポンプ。
【請求項６】
平板状の圧電体素子と、
前記圧電体素子の主面に接合され、前記圧電体素子の接合面に圧縮方向の残留応力を付与する中間板と、
前記圧電体素子の主面に対向するように前記中間板に接合されて前記中間板から圧縮方向の残留応力が付与され、且つ、開口穴を有する振動板と、
前記開口穴を介して外部に連通するポンプ室を有するポンプ本体と、を備え、
前記中間板が引っ張り方向の残留応力を有し、前記圧電体素子に交番電圧が印加されることで前記振動板が前記ポンプ室側と前記ポンプ室とは逆側とに交互に屈曲して、流体を流動させる圧電ポンプ。
【請求項７】
前記中間板は、その線膨張係数が、前記振動板の線膨張係数および前記圧電体素子の線膨張係数よりも大きい、請求項６に記載の圧電ポンプ。
【請求項８】
前記ポンプ本体は、複数の構成部材を積層して構成され、前記複数の構成部材は線膨張係数が互いに等しい、請求項６または７に記載の圧電ポンプ。
【請求項９】
前記圧電体素子と中間板と振動板とからなる構造体は、全体としての線膨張係数がポンプ本体の線膨張係数よりも小さい、請求項６〜８のうち、いずれか１項に記載の圧電ポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２３５６８７（Ｐ２０１２−２３５６８７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４２６１２（Ｐ２０１２−１４２６１２）
【出願日】平成２４年６月２６日（２０１２．６．２６）
【分割の表示】特願２００９−５１９７３２（Ｐ２００９−５１９７３２）の分割
【原出願日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月２６日（２０１２．６．２６）
【分割の表示】特願２００９−５１９７３２（Ｐ２００９−５１９７３２）の分割
【原出願日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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