圧電ポンプ及び圧電振動子
【課題】シムの薄型化を要求されている圧電ポンプにおいて、圧電振動子の機械的強度及び支持強度を高め、閉鎖圧を高くすることができる圧電ポンプを得る。
【解決手段】周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、導電性金属薄板からなるメインシムと、このメインシム上に積層形成した複数層の圧電体層と、この複数層の圧電体層の間に形成した機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムとにより構成する。
【解決手段】周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、導電性金属薄板からなるメインシムと、このメインシム上に積層形成した複数層の圧電体層と、この複数層の圧電体層の間に形成した機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムとにより構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動する圧電振動子によってポンプ作用を得る圧電ポンプ及び圧電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電ポンプは、周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、ポンプ室に連なる一対の流路に、流れ方向の異なる一対の逆止弁（ポンプ室への流体流を許す逆止弁とポンプ室からの流体流を許す逆止弁）を設けている。圧電振動子を振動させると、ポンプ室の容積が変化し、この容積変化に伴い一対の逆止弁の一方が閉じて他方が開く動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。このような圧電ポンプは、例えば水冷ノート型パソコンの冷却水循環ポンプとして用いられている。
【特許文献１】特開平５-３１５６６４号公報
【特許文献２】特開平８-２２２７７６号
【特許文献３】特開平８-２８８５６４号
【特許文献４】特開平１０-１３６６６５号
【特許文献５】特開平１１-２７９６３号
【特許文献６】特開２００２-３１９７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この圧電ポンプでは、圧電振動子の振幅が大きいこと（流量が大きいこと）よりも、閉鎖圧（吸入側と吐出側のアンブレラが閉じたとき（流量がゼロになるとき）の吐出側流路内（系）の圧力）が高いことが要求される。従来の圧電振動子では、シムの厚さを薄くしていくと、振幅を大きくすることはできても、シム自体の機械的強度が不足し閉鎖圧を大きくすることが困難であった。
【０００４】
本発明は、シムの薄型化を要求されている圧電ポンプにおいて、圧電振動子の機械的強度及び支持強度を高め、閉鎖圧を高くすることができる圧電ポンプ及び圧電振動子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、圧電振動子のシム上に、複数層の圧電体層を形成し、圧電体層の間に中間シムを配置すれば、振幅の減少を抑制しながら閉鎖圧を高めることができるという着眼に基づいてなされたものである。
【０００６】
すなわち、本発明は、周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、導電性金属薄板からなるメインシムと、このメインシム上に積層形成した複数層の圧電体層と、この複数層の圧電体層の間に形成した機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムとからなることを特徴としている。
【０００７】
中間シムは、複数層の圧電体層の中間位置に介在していることが好ましい。複数の圧電体層の中間位置は、該複数の圧電体層に交番電界を印加したときに発生する偶力の中性面となるから、中間シムによる圧電体層の変位拡大を図ることができる。
【０００８】
圧電振動子は、メインシムの一方の面をポンプ室に臨ませ、他方の面に、複数層の圧電体層と中間シムを形成することができる。複数層の圧電体層と中間シムは、メインシムの表裏面の両方に形成してもよい。
【０００９】
中間シムは、メインシムよりも高い機械的復元性を有することが好ましい。具体的には、中間シムとメインシムは同一の材料から形成し、中間シムの厚さをメインシムの厚さより厚くすることが好ましい。中間シムが高い機械的復元性を有していれば、複数の圧電体層の変位に伴って変形容易であり、高い機械的復元性により該複数の圧電体層の変位を向上させる。
【００１０】
複数層の圧電体層各層の分極方向及び配線接続は、圧電体が単層である場合に比して、圧電振動子の振幅が大きくなるように設定されている。これにより、圧電振動子の変位量を確保することができる。
【００１１】
圧電振動子の中間シムは、第１の態様によれば、該中間シム下の圧電体層より小径であり、この中間シム下の圧電体層の周縁部が一対の環状狭着部材によって狭着支持されていることが好ましい。中間シム下の圧電体層を狭着支持して圧電振動子の機械的強度を高めつつ、中間シム上の圧電体層を自由に変位させて変位量をかせぐことができる。
【００１２】
圧電振動子の中間シムは、第２の態様によれば、該中間シム上の圧電体層より大径であり、この中間シムとメインシムの周縁及び両シムの間の圧電体層が、一対の環状挟着部材によって挟着支持されていることが好ましい。一対の環状狭着部材の間に中間シムが介在することで、狭着支持部の機械的強度（支持強度）が増し、閉鎖圧をより高められる。
【００１３】
また本発明は、圧電振動子の態様によれば機械的復元性を有する金属弾性材料からなるメインシムの面上に複数層の圧電体層を積層し、この複数の圧電体層の間に、機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムを介在させたことを特徴としている。
【００１４】
この圧電振動子においても、中間シムは、メインシムよりも高い機械的復元性を有することが好ましい。具体的には、中間シムとメインシムは同一の材料で形成し、中間シムの厚さをメインシムの厚さより厚くするのがよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の圧電体層の間に機械的復元性を有する中間シムが介在することで、シムの薄型化を要求されている圧電ポンプにおいて、圧電振動子の変位を向上させ、該圧電振動子の機械的強度及び閉鎖圧を高めることができる。同様に、シムの薄型化を要求されている圧電振動子において、変位量を向上させつつ、機械的強度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１及び図２は、本発明が対象とする圧電ポンプの基本構造を示している。この圧電ポンプ２０は、図示下方から順に積層したロアハウジング２１、ミドルハウジング２２及びアッパハウジング２３を有している。
【００１７】
ロアハウジング２１には、冷却水（液体）の吸入ポート２４と吐出ポート２５が開口している。ミドルハウジング２２とアッパハウジング２３の間には、一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）を介して圧電振動子１０及び環状電極端子２９が液密に狭着支持されていて、該圧電振動子１０とミドルハウジング２２との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子１０とアッパハウジング２３との間には、大気室Ａが形成される。大気室Ａは、開放しても密閉してもよい。
【００１８】
ロアハウジング２１とミドルハウジング２２には、吸入ポート２４とポンプ室Ｐを連通させる吸入流路３０、及びポンプ室Ｐと吐出ポート２５を連通させる吐出経路３１がそれぞれ形成されており、ミドルハウジング２２には、この吸入流路３０と吐出流路３１にそれぞれ逆止弁（アンブレラ）３２、３３が設けられている。逆止弁３２は、吸入ポート２４からポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、逆止弁３３は、ポンプ室Ｐから吐出ポート２５への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。図示実施形態の逆止弁３２、３３は、同一の形態であり、流路に接着もしくは溶着固定される穴あき基板３２ａ、３３ａに、弾性材料からなるアンブレラ３２ｂ、３３ｂを装着してなっている。
【００１９】
またロアハウジング２１には、吸入流路３０及び吐出経路３１とは隔離させた位置に矩形状の収納凹部２１ａが形成されており、この収納凹部２１ａとミドルハウジング２２の間に、圧電振動子１０を駆動制御するドライバ回路基板２６が液密に収納されている。
【００２０】
圧電ポンプ２０は、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁３２が開いて吐出側逆止弁３３が閉じるため、吸入ポート２４からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が減少する行程では、吐出側逆止弁３３が開いて吸入側逆止弁３２が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出ポート２５に液体が流出する。したがって、圧電振動子１０を正逆に連続させて弾性変形（振動）させることで、ポンプ作用が得られる。
【００２１】
本発明は、例えば以上の構成を有する圧電ポンプ２０における圧電振動子１０の構成を特徴としている。以下では、図３〜図７を参照し、本発明の特徴部分である圧電振動子１０について、詳細に説明する。
【００２２】
圧電振動子１０は、円形のメインシム１１と、メインシム１１の表裏面の一方に形成した円形の積層圧電体１２とを有する圧電振動子である。
【００２３】
メインシム１１は、厚さ３０〜３００μｍ程度のステンレスや４２アロイ等からなる導電性金属薄板であり、積層圧電体１２を支持するための剛性を有している。このメインシム１１は、周縁部に配線接続用の配線突起１１ａを有し、裏面（一方の面）１１ｂをポンプ室Ｐ側に臨ませ、表面（他方の面）１１ｃ上に積層圧電体１２を形成してある。ミドルハウジング２２には、配線突起１１ａに対応する突出凹部２２ａがポンプ室Ｐに連なって形成されている。
【００２４】
積層圧電体１２は、メインシム１１の表面１１ｃ側から順に積層した下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの二層で構成され、大気室Ａ側に臨んでいる。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間には、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂを電気的に分離する中間電極層１３ａが位置している。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂは同一形状及び厚さをなし、その径はメインシム１１の円形部分の径と同等または若干小さくなっている。
【００２５】
下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの分極方向及び配線接続は、圧電振動子１０の圧電体が単層の場合に比して、該圧電振動子１０の振幅が大きくなるように設定されている。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの分極方向は、図４の三角指標で示されるように、逆向きをなしている。周知のように、圧電体（層）は、正負の電圧を印加すると、表面積が拡縮する方向に弾性変形する。メインシム１１側の下部圧電体層１２ａはシム側電極層１３ｂ及びメインシム１１を介して第２給電ライン１５と導通し、大気室Ａ側の上部圧電体層１２ｂは表面電極層１３ｃ及び環状電極端子２９を介して第１給電ライン１４と導通している。すなわち、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂは、電気的に直列接続（シリーズ接続）されている。
【００２６】
この積層圧電体１２において、大気室Ａに露出する表面電極層１３ｃはＡｕで形成される。一方、中間電極層１３ａ及びシム側電極層１３ｂはＡｕで形成しても良いが、ＡｇまたはＡｇを含むＡｇ系導電材料により形成してもよい。周知のようにＡｕはマイグレーション耐性のある導電材料であるから、表面電極層１３ｃの長時間駆動によるマイグレーションを抑制できる。一方、大気室Ａに露出しない中間電極層１３ａ及びシム側電極層１３ｂは、マイグレーション耐性を表面電極層１３ｃほど必要としないから、メインシム１１との密着強度が良好なＡｇまたはＡｇ系導電材料を用いることで、長時間駆動による電極剥離を抑制でき、Ａｕを用いる場合よりも低コスト化を図れる。この電極組み合わせによれば、圧電振動子１０の長寿命化を図れる。
【００２７】
圧電振動子１０は、弾性を有する一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）により、積層圧電体１２の周縁部で狭着支持されている。Ｏリング２７は、ミドルハウジング２２と圧電振動子１０の間に配置され、メインシム１１の裏面１１ｂの周縁部に当接して図示上方向の押力を与える。一方、ガイド２８は、アッパハウジング２３と圧電振動子１０の間に配置され、積層圧電体１２の表面電極層１３ｃに接着した環状電極端子２９に当接し、この環状電極端子２９を介して積層圧電体１２の周縁部を図示下方向へ押圧する。このように積層圧電体１２自体を狭着支持する構造によれば、圧電振動子１０の機械的強度（支持強度）が増し、閉鎖圧（吸入側と吐出側のアンブレラが閉じたとき（流量がゼロになるとき）の吐出側流路内（系）の圧力）を高められる。一対の環状狭着部材２７、２８は、積層圧電体１２の変位量が最小となる周縁部に接するから、積層圧電体１２の変位を極力妨げない。
【００２８】
環状電極端子２９は、上部圧電体層１２ｂの変位を妨げず、かつ、表面電極層１３ｃと安定に導通可能な環状の導電性金属薄板であって、表面電極層１３ｃの周縁部に接着される環状部２９ｂと、環状部２９ｂから延出した配線接続用の配線突起２９ａとを有し、配線突起２９ａで第１給電ライン１４に導通接続している。配線突起２９ａは、メインシム１１の配線突起１１ａと対をなし、該配線突起１１ａとともにミドルハウジング２２の突出凹部２２ａに収納される。この環状電極端子２９は、例えば厚さ３０μｍ程度の４２アロイ等により形成されている。
【００２９】
以上の圧電振動子１０は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に、メインシム１１とは別に、中間シム４０を有している。中間シム４０は、積層圧電体１２の変位に伴って変形自在な機械的復元性を有する、円形または環状の金属弾性体（図示実施形態では円形）である。中間シム４０の機械的復元性はメインシム１１の機械的復元性より高く、中間シム４０は積層圧電体１２の変位を妨げない。この中間シム４０は、メインシム１１と同一の材料で、メインシム１１の厚さより厚く形成してある。具体的には例えば、厚さ５０〜６００μｍ程度の４２アロイ等からなる金属薄板を用いる。この中間シム４０を備えることで、積層圧電体１２延いては圧電振動子１０の機械的強度が増し、閉鎖圧を高められる。中間シム４０の挿入位置は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間、すなわち、積層圧電体１２の中間位置であって、積層圧電体１２に交番電界を印加したときに発生する偶力Ｆの中性面となるから、中間シム４０による積層圧電体１２の変位を拡大することができる。中間シム４０と下部圧電体層１２ａ及び上部圧電体層１２ｂとの間には、上述の中間電極層１３ａがそれぞれ位置している。なお、この環状電極端子２９の代わりに半田等で第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合し、環状狭着部材２８で積層圧電体１２の表面電極層１３ｃを直接支持しても良い。
【００３０】
第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の間に交番電界を印加すると、第１給電ライン１４が正、第２給電ライン１５が負である瞬間には、図４に矢印で示すように、下部圧電体層１２ａの表面積が拡大し、上部圧電体層１２ｂの表面積が縮小する。すると、積層圧電体１２は全体としては圧電振動子１０を図４において下方に凸となる方向に変形させる（偶力Ｆを発生させる）ことになる。これに対し、第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の正負が逆転すると、以上とは逆に積層圧電体１２は全体としては圧電振動子１０を図４において上方に凸となる方向に変形させる。この繰り返しにより、圧電振動子１０は全体として振動することになる。そして、その振幅は、積層圧電体１２が単一の圧電体層からなる場合に比して大きい。ポンプ動作中、流路内には該流路を流れる液体によって圧力が加わる。上述したように本実施形態では、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に介在させた中間シム４０により圧電振動子１０の機械的強度が高く保持されているから、高い閉鎖圧が得られ、流路内に送液による圧力がかかった状態でも安定したポンプ動作を実現可能である。
【００３１】
本実施形態の中間シム４０を備えた直列型の積層圧電体１２は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂをそれぞれ別個に形成し、分極処理後に、中間シム４０を挟んだ状態で下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂを互いの分極方向が異なる向きで電気的に直列することにより、形成可能である。具体的に説明すると、下部圧電体層１２ａは、圧電グリーンシートを所定形状に平面円形に型抜きし単層もしくは複数層重ねて焼成し、この焼成体の表裏面に電極層（シム側電極層１３ｂ、中間電極層１３ａ）を形成して、この表裏面の電極層を利用して分極処理を施すことにより形成する。上部圧電体層１２ｂは、圧電グリーンシートを所定形状に平面円形に型抜きし単層もしくは複数層重ねて焼成し、この焼成体の表裏面に電極層（表面電極層１３ｃ、中間電極層１３ａ）を形成して、この表裏面の電極層を利用して下部圧電体層１２ａとは逆向きの分極処理を施すことにより形成する。そして、中間シム４０の表裏面の一方に下部圧電体層１２ａの中間電極層１３ａを接着し、他方に上部圧電体層１２ｂの中間電極層１３ａを接着し、さらに、メインシム１１と下部圧電体層１２ａのシム側電極層１３ｂを接着する。接着には、例えば導電性樹脂接着剤を用いる。これにより、分極方向が互いに逆向きで、かつ、電気的には直列に接続された下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂ及び両圧電体層の中間に位置する中間シム４０を有する積層圧電体１２が得られる。この形成方法によれば、分極処理用の側面電極やスルーホール電極を必要としないので、直列型の積層圧電体１２を容易に形成可能である。積層圧電体１２の全体の厚さは、例えば５０〜１０００μｍ程度とする。
【００３２】
図５は、本発明の第２実施形態による圧電振動子２１０を示している。この第２実施形態は、第１実施形態の変形例であって、直列型の積層圧電体１２に替えて、並列型の積層圧電体２１２を備えている。積層圧電体２１２以外の構成は第１実施形態と同様であり、図５では第１実施形態と同一の構成要素に図１〜図４と同一の符号を付して示してある。
【００３３】
積層圧電体２１２は、メインシム１１の表面１１ｃ側から順に積層した下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの二層で構成され、大気室Ａ側に臨んでいる。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間には、一対の中間電極層１３ａと中間シム４０が介在している。中間シム４０は、上述したように、積層圧電体４１２の変位に伴って変形自在な機械的復元性を有する、円形または環状の金属弾性体（図示実施形態では円形）である。この中間シム４０を備えることで、積層圧電体２１２延いては圧電振動子２１０の機械的強度が増し、閉鎖圧をより高められる。中間シム４０の挿入位置は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間、すなわち、積層圧電体２１２の中間位置であって、積層圧電体２１２に交番電界を印加したときに発生する偶力Ｆの中性面となるから、中間シム４０による積層圧電体２１２の変位を拡大することができる。この中間シム４０は、中間電極層１３ａと第２給電ライン１５を導通接続するための電極端子としても機能する。これにより、中間電極層１３ａを導通するための側面電極やスルーホール電極等が不要となり、配線接続が容易となる。シム側電極層１３ｂと表面電極層１３ｃは、メインシム１１及び環状電極端子２９を介して第１給電ライン１４に導通している。すなわち、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂは、電気的に並列接続（パラレル接続）されている。この第２実施形態においても、環状電極端子２９の代わりに半田等で第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合し、環状狭着部材２８で積層圧電体１２の表面電極層１３ｃを直接支持しても良い。
【００３４】
この第２実施形態では、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの分極方向が同一であるから、第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の間に交番電界を印加すると、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの一方の表面積が拡大し他方の表面積が縮小し、圧電振動子２１０の圧電体が単一の圧電体層からなる場合に比して大きい振幅で振動することになる。圧電振動子２１０は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に介在させた中間シム４０により機械的強度が高く維持されているから、第１実施形態と同様に高い閉鎖圧が得られ、流路内に送液による圧力がかかった状態でも安定したポンプ動作を実現可能である。
【００３５】
図６は、本発明の第３実施形態による圧電振動子３１０を示している。この第３実施形態は、第１実施形態の変形例であって、中間シム４０を該中間シム４０下の下部圧電体層１２ａより小径で形成し、下部圧電体層１２ａの周縁部を一対の環状狭着部材２７、２８で狭着支持している。積層圧電体３１２は、下部圧電体層１２ａ上の層（中間電極層１３ａ、中間シム４０、上部圧電体層１２ｂ及び表面電極層１３ｃ）が下部圧電体層１２ａ以下の層（下部圧電体層１２ａ及びシム側電極層１３ｂ）より小径であり、全体として断面凸形状をなす。下部圧電体層１２ａの周縁部は、中間シム４０及び上部圧電体層１２ｂから露出し、この露出部分にガイド２８が直接当接する。ガイド２８は、下部圧電体層１２ａの径に対応する環状をなしていて、上部圧電体層１２ｂには接触しない。つまり、上部圧電体層１２ｂは、ガイド２８に拘束されず、自由に変位可能である。但し、下部圧電体層１２ａに形成される中間電極層１３ａの径は、下部圧電体層１２ａの径と同一の大きさであってもよい。この第３実施形態によれば、下部圧電体層１２ａの周縁部を狭着支持することで圧電振動子３１０の機械的強度及び閉鎖圧を高めつつ、上部圧電体層１２ｂを自由に変位させることで圧電振動子３１０の変位量をかせぐことができる。さらに、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に生じた段差部にガイド２８を配置しているので、ハウジングの薄型化に有利である。図示実施形態では直列型の積層圧電体３１２を用いているが、並列型の積層圧電体を用いてもよい。第３実施形態においても、環状電極端子２９の代わりに半田等で第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合可能である。
【００３６】
図７は、本発明の第４実施形態による圧電振動子４１０を示している。この第４実施形態は、第３実施形態の変形例であって、中間シム４０を下部圧電体層１２ａの周縁部まで延ばし、この中間シム４０を介して下部圧電体層１２ａの周縁部をガイド２８で図示下方向に押圧している。すなわち、Ｏリング２７とガイド２８は、中間シム４０とメインシム１１と両シムの間の下部圧電体層１２ａの周縁部を狭着支持している。このように一対の環状狭着部材２７、２８の間にも中間シム４０を介在させれば、該狭着支持部での強度が増し、圧電振動子４１０の機械的強度及び閉鎖圧をより高めることができる。
【００３７】
第４実施形態の積層圧電体４１２は、中間シム４０以下の層（中間シム４０、下部圧電体層１２ａ側の中間電極層１３ａ、下部圧電体層１２ａ及びシム側電極層１３ｂ）が同中間シム４０上の層（上部圧電体層１２ｂ側の中間電極層１３ａ、上部圧電体層１２ｂ及び表面電極層１３ｃ）より大径であり、全体として断面凸形状をなす。ガイド２８は、下部圧電体層１２ａの径に対応する環状をなしていて上部圧電体層１２ｂには接触しないから、上部圧電体層１２ｂは、一対の環状狭着部材２７、２８に拘束されず、自由に変位可能である。
【００３８】
この第４実施形態によれば、中間シム４０とメインシム１１と両シム間の下部圧電体層１２ａの周縁部を狭着支持することで圧電振動子４１０の機械的強度及び閉鎖圧を高めつつ、上部圧電体層１２ｂを自由に変位させることで圧電振動子３１０の変位量をかせぐことができる。さらに、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に生じた段差部にガイド２８を配置しているので、ハウジングの薄型化に有利である。図示実施形態では直列型の積層圧電体４１２を用いているが、並列型の積層圧電体を用いてもよい。第４実施形態においても、環状電極端子２９の代わりに半田等で第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合可能である。
【００３９】
図８は、第３実施形態の圧電振動子３１０を用いた圧電ポンプ２０において、中間シム４０の厚さを変化させながら、流路内の所定位置での流量［ｍｌ／ｍｉｎ］と圧力［ｋＰａ］を測定した結果を示している。測定は、駆動電圧１２０Ｖ、駆動周波数６０Ｈｚで圧電振動子３１０を動作させて行った。圧電振動子３１０において、メインシム１１の厚さは０．０３ｍｍ、下部圧電体層１２ａ及び上部圧電体層１２ｂの厚さは０．２ｍｍである。図中のダイヤ指標は中間シム４０の厚さを０．０５ｍｍとしたとき、四角指標は中間シム４０の厚さを０．１ｍｍとしたとき、三角指標は中間シム４０の厚さを０．１５ｍｍとしたときの測定値をそれぞれ示している。
【００４０】
図８から明らかなように、中間シム４０がメインシム１１の厚さに対して相対的に厚くなるほど、閉鎖圧（流量ゼロのときの圧力）が増大する傾向にあることがわかる。よって、流路抵抗が大きい場合は、中間シム４０の厚さをメインシム１１の厚さよりも相対的に大きくすることが望ましい。
【００４１】
以上の各実施形態によれば、圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０）の複数の圧電体層の間に機械的復元性を有する中間シム４０を介在させたので、圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０）の変位を拡大しつつ、圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０）の機械的強度及び閉鎖圧を高めることができる。したがって、流路系の内圧で圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０）が変形することなく、安定したポンプ動作を実現可能である。これにより、メインシム１１の薄型化にも容易に対応できる。
【００４２】
以上ではメインシム１１の表裏面の一方に圧電体層が複数層形成された圧電振動子（１０、２１０、３１０、４１０）を用いた実施形態について説明したが、本発明は、メインシム１１の表裏面の両方に圧電体層が複数層形成された圧電振動子にも適用可能である。このメインシム１１の表裏面の両方に複数層の圧電体層を備えた圧電振動子では、表裏面のそれぞれに形成した複数層の圧電体層の間に中間シム４０を介在させればよい。また、圧電振動子の圧電体は単層であっても三層以上であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明が対象とする圧電ポンプの基本構造を示す分解斜視図である。
【図２】同圧電ポンプの断面図である。
【図３】第１実施形態の圧電振動子を示す部分拡大断面図である。
【図４】同圧電振動子の模式断面図である。
【図５】第２実施形態の圧電振動子を示す模式断面図である。
【図６】第３実施形態の圧電振動子を示す模式断面図である。
【図７】第４実施形態の圧電振動子を示す模式断面図である。
【図８】中間シムの厚さを変化させながら、流路内の所定位置での流量と圧力を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 圧電振動子
１１ メインシム
１１ａ 配線突起
１２ 積層圧電体
１２ａ 下部圧電体層
１２ｂ 上部圧電体層
１３ａ 中間電極層
１３ｂ シム側電極層
１３ｃ 表面電極層
１４ 第１給電ライン
１５ 第２給電ライン
２０ 圧電ポンプ
２１ ロアハウジング
２２ ミドルハウジング
２３ アッパハウジング
２４ 吸入ポート
２５ 吐出ポート
２６ ドライバ回路基板
２７ Ｏリング（環状狭着部材）
２８ ガイド（環状狭着部材）
２９ 環状電極端子
３０ 吸入流路
３１ 吐出流路
３２、３３ 逆止弁
４０ 中間シム
Ａ 大気室
Ｐ ポンプ室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動する圧電振動子によってポンプ作用を得る圧電ポンプ及び圧電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電ポンプは、周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、ポンプ室に連なる一対の流路に、流れ方向の異なる一対の逆止弁（ポンプ室への流体流を許す逆止弁とポンプ室からの流体流を許す逆止弁）を設けている。圧電振動子を振動させると、ポンプ室の容積が変化し、この容積変化に伴い一対の逆止弁の一方が閉じて他方が開く動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。このような圧電ポンプは、例えば水冷ノート型パソコンの冷却水循環ポンプとして用いられている。
【特許文献１】特開平５-３１５６６４号公報
【特許文献２】特開平８-２２２７７６号
【特許文献３】特開平８-２８８５６４号
【特許文献４】特開平１０-１３６６６５号
【特許文献５】特開平１１-２７９６３号
【特許文献６】特開２００２-３１９７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この圧電ポンプでは、圧電振動子の振幅が大きいこと（流量が大きいこと）よりも、閉鎖圧（吸入側と吐出側のアンブレラが閉じたとき（流量がゼロになるとき）の吐出側流路内（系）の圧力）が高いことが要求される。従来の圧電振動子では、シムの厚さを薄くしていくと、振幅を大きくすることはできても、シム自体の機械的強度が不足し閉鎖圧を大きくすることが困難であった。
【０００４】
本発明は、シムの薄型化を要求されている圧電ポンプにおいて、圧電振動子の機械的強度及び支持強度を高め、閉鎖圧を高くすることができる圧電ポンプ及び圧電振動子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、圧電振動子のシム上に、複数層の圧電体層を形成し、圧電体層の間に中間シムを配置すれば、振幅の減少を抑制しながら閉鎖圧を高めることができるという着眼に基づいてなされたものである。
【０００６】
すなわち、本発明は、周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、導電性金属薄板からなるメインシムと、このメインシム上に積層形成した複数層の圧電体層と、この複数層の圧電体層の間に形成した機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムとからなることを特徴としている。
【０００７】
中間シムは、複数層の圧電体層の中間位置に介在していることが好ましい。複数の圧電体層の中間位置は、該複数の圧電体層に交番電界を印加したときに発生する偶力の中性面となるから、中間シムによる圧電体層の変位拡大を図ることができる。
【０００８】
圧電振動子は、メインシムの一方の面をポンプ室に臨ませ、他方の面に、複数層の圧電体層と中間シムを形成することができる。複数層の圧電体層と中間シムは、メインシムの表裏面の両方に形成してもよい。
【０００９】
中間シムは、メインシムよりも高い機械的復元性を有することが好ましい。具体的には、中間シムとメインシムは同一の材料から形成し、中間シムの厚さをメインシムの厚さより厚くすることが好ましい。中間シムが高い機械的復元性を有していれば、複数の圧電体層の変位に伴って変形容易であり、高い機械的復元性により該複数の圧電体層の変位を向上させる。
【００１０】
複数層の圧電体層各層の分極方向及び配線接続は、圧電体が単層である場合に比して、圧電振動子の振幅が大きくなるように設定されている。これにより、圧電振動子の変位量を確保することができる。
【００１１】
圧電振動子の中間シムは、第１の態様によれば、該中間シム下の圧電体層より小径であり、この中間シム下の圧電体層の周縁部が一対の環状狭着部材によって狭着支持されていることが好ましい。中間シム下の圧電体層を狭着支持して圧電振動子の機械的強度を高めつつ、中間シム上の圧電体層を自由に変位させて変位量をかせぐことができる。
【００１２】
圧電振動子の中間シムは、第２の態様によれば、該中間シム上の圧電体層より大径であり、この中間シムとメインシムの周縁及び両シムの間の圧電体層が、一対の環状挟着部材によって挟着支持されていることが好ましい。一対の環状狭着部材の間に中間シムが介在することで、狭着支持部の機械的強度（支持強度）が増し、閉鎖圧をより高められる。
【００１３】
また本発明は、圧電振動子の態様によれば機械的復元性を有する金属弾性材料からなるメインシムの面上に複数層の圧電体層を積層し、この複数の圧電体層の間に、機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムを介在させたことを特徴としている。
【００１４】
この圧電振動子においても、中間シムは、メインシムよりも高い機械的復元性を有することが好ましい。具体的には、中間シムとメインシムは同一の材料で形成し、中間シムの厚さをメインシムの厚さより厚くするのがよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の圧電体層の間に機械的復元性を有する中間シムが介在することで、シムの薄型化を要求されている圧電ポンプにおいて、圧電振動子の変位を向上させ、該圧電振動子の機械的強度及び閉鎖圧を高めることができる。同様に、シムの薄型化を要求されている圧電振動子において、変位量を向上させつつ、機械的強度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１及び図２は、本発明が対象とする圧電ポンプの基本構造を示している。この圧電ポンプ２０は、図示下方から順に積層したロアハウジング２１、ミドルハウジング２２及びアッパハウジング２３を有している。
【００１７】
ロアハウジング２１には、冷却水（液体）の吸入ポート２４と吐出ポート２５が開口している。ミドルハウジング２２とアッパハウジング２３の間には、一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）を介して圧電振動子１０及び環状電極端子２９が液密に狭着支持されていて、該圧電振動子１０とミドルハウジング２２との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子１０とアッパハウジング２３との間には、大気室Ａが形成される。大気室Ａは、開放しても密閉してもよい。
【００１８】
ロアハウジング２１とミドルハウジング２２には、吸入ポート２４とポンプ室Ｐを連通させる吸入流路３０、及びポンプ室Ｐと吐出ポート２５を連通させる吐出経路３１がそれぞれ形成されており、ミドルハウジング２２には、この吸入流路３０と吐出流路３１にそれぞれ逆止弁（アンブレラ）３２、３３が設けられている。逆止弁３２は、吸入ポート２４からポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、逆止弁３３は、ポンプ室Ｐから吐出ポート２５への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。図示実施形態の逆止弁３２、３３は、同一の形態であり、流路に接着もしくは溶着固定される穴あき基板３２ａ、３３ａに、弾性材料からなるアンブレラ３２ｂ、３３ｂを装着してなっている。
【００１９】
またロアハウジング２１には、吸入流路３０及び吐出経路３１とは隔離させた位置に矩形状の収納凹部２１ａが形成されており、この収納凹部２１ａとミドルハウジング２２の間に、圧電振動子１０を駆動制御するドライバ回路基板２６が液密に収納されている。
【００２０】
圧電ポンプ２０は、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁３２が開いて吐出側逆止弁３３が閉じるため、吸入ポート２４からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が減少する行程では、吐出側逆止弁３３が開いて吸入側逆止弁３２が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出ポート２５に液体が流出する。したがって、圧電振動子１０を正逆に連続させて弾性変形（振動）させることで、ポンプ作用が得られる。
【００２１】
本発明は、例えば以上の構成を有する圧電ポンプ２０における圧電振動子１０の構成を特徴としている。以下では、図３〜図７を参照し、本発明の特徴部分である圧電振動子１０について、詳細に説明する。
【００２２】
圧電振動子１０は、円形のメインシム１１と、メインシム１１の表裏面の一方に形成した円形の積層圧電体１２とを有する圧電振動子である。
【００２３】
メインシム１１は、厚さ３０〜３００μｍ程度のステンレスや４２アロイ等からなる導電性金属薄板であり、積層圧電体１２を支持するための剛性を有している。このメインシム１１は、周縁部に配線接続用の配線突起１１ａを有し、裏面（一方の面）１１ｂをポンプ室Ｐ側に臨ませ、表面（他方の面）１１ｃ上に積層圧電体１２を形成してある。ミドルハウジング２２には、配線突起１１ａに対応する突出凹部２２ａがポンプ室Ｐに連なって形成されている。
【００２４】
積層圧電体１２は、メインシム１１の表面１１ｃ側から順に積層した下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの二層で構成され、大気室Ａ側に臨んでいる。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間には、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂを電気的に分離する中間電極層１３ａが位置している。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂは同一形状及び厚さをなし、その径はメインシム１１の円形部分の径と同等または若干小さくなっている。
【００２５】
下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの分極方向及び配線接続は、圧電振動子１０の圧電体が単層の場合に比して、該圧電振動子１０の振幅が大きくなるように設定されている。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの分極方向は、図４の三角指標で示されるように、逆向きをなしている。周知のように、圧電体（層）は、正負の電圧を印加すると、表面積が拡縮する方向に弾性変形する。メインシム１１側の下部圧電体層１２ａはシム側電極層１３ｂ及びメインシム１１を介して第２給電ライン１５と導通し、大気室Ａ側の上部圧電体層１２ｂは表面電極層１３ｃ及び環状電極端子２９を介して第１給電ライン１４と導通している。すなわち、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂは、電気的に直列接続（シリーズ接続）されている。
【００２６】
この積層圧電体１２において、大気室Ａに露出する表面電極層１３ｃはＡｕで形成される。一方、中間電極層１３ａ及びシム側電極層１３ｂはＡｕで形成しても良いが、ＡｇまたはＡｇを含むＡｇ系導電材料により形成してもよい。周知のようにＡｕはマイグレーション耐性のある導電材料であるから、表面電極層１３ｃの長時間駆動によるマイグレーションを抑制できる。一方、大気室Ａに露出しない中間電極層１３ａ及びシム側電極層１３ｂは、マイグレーション耐性を表面電極層１３ｃほど必要としないから、メインシム１１との密着強度が良好なＡｇまたはＡｇ系導電材料を用いることで、長時間駆動による電極剥離を抑制でき、Ａｕを用いる場合よりも低コスト化を図れる。この電極組み合わせによれば、圧電振動子１０の長寿命化を図れる。
【００２７】
圧電振動子１０は、弾性を有する一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）により、積層圧電体１２の周縁部で狭着支持されている。Ｏリング２７は、ミドルハウジング２２と圧電振動子１０の間に配置され、メインシム１１の裏面１１ｂの周縁部に当接して図示上方向の押力を与える。一方、ガイド２８は、アッパハウジング２３と圧電振動子１０の間に配置され、積層圧電体１２の表面電極層１３ｃに接着した環状電極端子２９に当接し、この環状電極端子２９を介して積層圧電体１２の周縁部を図示下方向へ押圧する。このように積層圧電体１２自体を狭着支持する構造によれば、圧電振動子１０の機械的強度（支持強度）が増し、閉鎖圧（吸入側と吐出側のアンブレラが閉じたとき（流量がゼロになるとき）の吐出側流路内（系）の圧力）を高められる。一対の環状狭着部材２７、２８は、積層圧電体１２の変位量が最小となる周縁部に接するから、積層圧電体１２の変位を極力妨げない。
【００２８】
環状電極端子２９は、上部圧電体層１２ｂの変位を妨げず、かつ、表面電極層１３ｃと安定に導通可能な環状の導電性金属薄板であって、表面電極層１３ｃの周縁部に接着される環状部２９ｂと、環状部２９ｂから延出した配線接続用の配線突起２９ａとを有し、配線突起２９ａで第１給電ライン１４に導通接続している。配線突起２９ａは、メインシム１１の配線突起１１ａと対をなし、該配線突起１１ａとともにミドルハウジング２２の突出凹部２２ａに収納される。この環状電極端子２９は、例えば厚さ３０μｍ程度の４２アロイ等により形成されている。
【００２９】
以上の圧電振動子１０は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に、メインシム１１とは別に、中間シム４０を有している。中間シム４０は、積層圧電体１２の変位に伴って変形自在な機械的復元性を有する、円形または環状の金属弾性体（図示実施形態では円形）である。中間シム４０の機械的復元性はメインシム１１の機械的復元性より高く、中間シム４０は積層圧電体１２の変位を妨げない。この中間シム４０は、メインシム１１と同一の材料で、メインシム１１の厚さより厚く形成してある。具体的には例えば、厚さ５０〜６００μｍ程度の４２アロイ等からなる金属薄板を用いる。この中間シム４０を備えることで、積層圧電体１２延いては圧電振動子１０の機械的強度が増し、閉鎖圧を高められる。中間シム４０の挿入位置は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間、すなわち、積層圧電体１２の中間位置であって、積層圧電体１２に交番電界を印加したときに発生する偶力Ｆの中性面となるから、中間シム４０による積層圧電体１２の変位を拡大することができる。中間シム４０と下部圧電体層１２ａ及び上部圧電体層１２ｂとの間には、上述の中間電極層１３ａがそれぞれ位置している。なお、この環状電極端子２９の代わりに半田等で第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合し、環状狭着部材２８で積層圧電体１２の表面電極層１３ｃを直接支持しても良い。
【００３０】
第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の間に交番電界を印加すると、第１給電ライン１４が正、第２給電ライン１５が負である瞬間には、図４に矢印で示すように、下部圧電体層１２ａの表面積が拡大し、上部圧電体層１２ｂの表面積が縮小する。すると、積層圧電体１２は全体としては圧電振動子１０を図４において下方に凸となる方向に変形させる（偶力Ｆを発生させる）ことになる。これに対し、第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の正負が逆転すると、以上とは逆に積層圧電体１２は全体としては圧電振動子１０を図４において上方に凸となる方向に変形させる。この繰り返しにより、圧電振動子１０は全体として振動することになる。そして、その振幅は、積層圧電体１２が単一の圧電体層からなる場合に比して大きい。ポンプ動作中、流路内には該流路を流れる液体によって圧力が加わる。上述したように本実施形態では、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に介在させた中間シム４０により圧電振動子１０の機械的強度が高く保持されているから、高い閉鎖圧が得られ、流路内に送液による圧力がかかった状態でも安定したポンプ動作を実現可能である。
【００３１】
本実施形態の中間シム４０を備えた直列型の積層圧電体１２は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂをそれぞれ別個に形成し、分極処理後に、中間シム４０を挟んだ状態で下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂを互いの分極方向が異なる向きで電気的に直列することにより、形成可能である。具体的に説明すると、下部圧電体層１２ａは、圧電グリーンシートを所定形状に平面円形に型抜きし単層もしくは複数層重ねて焼成し、この焼成体の表裏面に電極層（シム側電極層１３ｂ、中間電極層１３ａ）を形成して、この表裏面の電極層を利用して分極処理を施すことにより形成する。上部圧電体層１２ｂは、圧電グリーンシートを所定形状に平面円形に型抜きし単層もしくは複数層重ねて焼成し、この焼成体の表裏面に電極層（表面電極層１３ｃ、中間電極層１３ａ）を形成して、この表裏面の電極層を利用して下部圧電体層１２ａとは逆向きの分極処理を施すことにより形成する。そして、中間シム４０の表裏面の一方に下部圧電体層１２ａの中間電極層１３ａを接着し、他方に上部圧電体層１２ｂの中間電極層１３ａを接着し、さらに、メインシム１１と下部圧電体層１２ａのシム側電極層１３ｂを接着する。接着には、例えば導電性樹脂接着剤を用いる。これにより、分極方向が互いに逆向きで、かつ、電気的には直列に接続された下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂ及び両圧電体層の中間に位置する中間シム４０を有する積層圧電体１２が得られる。この形成方法によれば、分極処理用の側面電極やスルーホール電極を必要としないので、直列型の積層圧電体１２を容易に形成可能である。積層圧電体１２の全体の厚さは、例えば５０〜１０００μｍ程度とする。
【００３２】
図５は、本発明の第２実施形態による圧電振動子２１０を示している。この第２実施形態は、第１実施形態の変形例であって、直列型の積層圧電体１２に替えて、並列型の積層圧電体２１２を備えている。積層圧電体２１２以外の構成は第１実施形態と同様であり、図５では第１実施形態と同一の構成要素に図１〜図４と同一の符号を付して示してある。
【００３３】
積層圧電体２１２は、メインシム１１の表面１１ｃ側から順に積層した下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの二層で構成され、大気室Ａ側に臨んでいる。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間には、一対の中間電極層１３ａと中間シム４０が介在している。中間シム４０は、上述したように、積層圧電体４１２の変位に伴って変形自在な機械的復元性を有する、円形または環状の金属弾性体（図示実施形態では円形）である。この中間シム４０を備えることで、積層圧電体２１２延いては圧電振動子２１０の機械的強度が増し、閉鎖圧をより高められる。中間シム４０の挿入位置は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間、すなわち、積層圧電体２１２の中間位置であって、積層圧電体２１２に交番電界を印加したときに発生する偶力Ｆの中性面となるから、中間シム４０による積層圧電体２１２の変位を拡大することができる。この中間シム４０は、中間電極層１３ａと第２給電ライン１５を導通接続するための電極端子としても機能する。これにより、中間電極層１３ａを導通するための側面電極やスルーホール電極等が不要となり、配線接続が容易となる。シム側電極層１３ｂと表面電極層１３ｃは、メインシム１１及び環状電極端子２９を介して第１給電ライン１４に導通している。すなわち、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂは、電気的に並列接続（パラレル接続）されている。この第２実施形態においても、環状電極端子２９の代わりに半田等で第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合し、環状狭着部材２８で積層圧電体１２の表面電極層１３ｃを直接支持しても良い。
【００３４】
この第２実施形態では、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの分極方向が同一であるから、第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の間に交番電界を印加すると、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの一方の表面積が拡大し他方の表面積が縮小し、圧電振動子２１０の圧電体が単一の圧電体層からなる場合に比して大きい振幅で振動することになる。圧電振動子２１０は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に介在させた中間シム４０により機械的強度が高く維持されているから、第１実施形態と同様に高い閉鎖圧が得られ、流路内に送液による圧力がかかった状態でも安定したポンプ動作を実現可能である。
【００３５】
図６は、本発明の第３実施形態による圧電振動子３１０を示している。この第３実施形態は、第１実施形態の変形例であって、中間シム４０を該中間シム４０下の下部圧電体層１２ａより小径で形成し、下部圧電体層１２ａの周縁部を一対の環状狭着部材２７、２８で狭着支持している。積層圧電体３１２は、下部圧電体層１２ａ上の層（中間電極層１３ａ、中間シム４０、上部圧電体層１２ｂ及び表面電極層１３ｃ）が下部圧電体層１２ａ以下の層（下部圧電体層１２ａ及びシム側電極層１３ｂ）より小径であり、全体として断面凸形状をなす。下部圧電体層１２ａの周縁部は、中間シム４０及び上部圧電体層１２ｂから露出し、この露出部分にガイド２８が直接当接する。ガイド２８は、下部圧電体層１２ａの径に対応する環状をなしていて、上部圧電体層１２ｂには接触しない。つまり、上部圧電体層１２ｂは、ガイド２８に拘束されず、自由に変位可能である。但し、下部圧電体層１２ａに形成される中間電極層１３ａの径は、下部圧電体層１２ａの径と同一の大きさであってもよい。この第３実施形態によれば、下部圧電体層１２ａの周縁部を狭着支持することで圧電振動子３１０の機械的強度及び閉鎖圧を高めつつ、上部圧電体層１２ｂを自由に変位させることで圧電振動子３１０の変位量をかせぐことができる。さらに、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に生じた段差部にガイド２８を配置しているので、ハウジングの薄型化に有利である。図示実施形態では直列型の積層圧電体３１２を用いているが、並列型の積層圧電体を用いてもよい。第３実施形態においても、環状電極端子２９の代わりに半田等で第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合可能である。
【００３６】
図７は、本発明の第４実施形態による圧電振動子４１０を示している。この第４実施形態は、第３実施形態の変形例であって、中間シム４０を下部圧電体層１２ａの周縁部まで延ばし、この中間シム４０を介して下部圧電体層１２ａの周縁部をガイド２８で図示下方向に押圧している。すなわち、Ｏリング２７とガイド２８は、中間シム４０とメインシム１１と両シムの間の下部圧電体層１２ａの周縁部を狭着支持している。このように一対の環状狭着部材２７、２８の間にも中間シム４０を介在させれば、該狭着支持部での強度が増し、圧電振動子４１０の機械的強度及び閉鎖圧をより高めることができる。
【００３７】
第４実施形態の積層圧電体４１２は、中間シム４０以下の層（中間シム４０、下部圧電体層１２ａ側の中間電極層１３ａ、下部圧電体層１２ａ及びシム側電極層１３ｂ）が同中間シム４０上の層（上部圧電体層１２ｂ側の中間電極層１３ａ、上部圧電体層１２ｂ及び表面電極層１３ｃ）より大径であり、全体として断面凸形状をなす。ガイド２８は、下部圧電体層１２ａの径に対応する環状をなしていて上部圧電体層１２ｂには接触しないから、上部圧電体層１２ｂは、一対の環状狭着部材２７、２８に拘束されず、自由に変位可能である。
【００３８】
この第４実施形態によれば、中間シム４０とメインシム１１と両シム間の下部圧電体層１２ａの周縁部を狭着支持することで圧電振動子４１０の機械的強度及び閉鎖圧を高めつつ、上部圧電体層１２ｂを自由に変位させることで圧電振動子３１０の変位量をかせぐことができる。さらに、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に生じた段差部にガイド２８を配置しているので、ハウジングの薄型化に有利である。図示実施形態では直列型の積層圧電体４１２を用いているが、並列型の積層圧電体を用いてもよい。第４実施形態においても、環状電極端子２９の代わりに半田等で第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合可能である。
【００３９】
図８は、第３実施形態の圧電振動子３１０を用いた圧電ポンプ２０において、中間シム４０の厚さを変化させながら、流路内の所定位置での流量［ｍｌ／ｍｉｎ］と圧力［ｋＰａ］を測定した結果を示している。測定は、駆動電圧１２０Ｖ、駆動周波数６０Ｈｚで圧電振動子３１０を動作させて行った。圧電振動子３１０において、メインシム１１の厚さは０．０３ｍｍ、下部圧電体層１２ａ及び上部圧電体層１２ｂの厚さは０．２ｍｍである。図中のダイヤ指標は中間シム４０の厚さを０．０５ｍｍとしたとき、四角指標は中間シム４０の厚さを０．１ｍｍとしたとき、三角指標は中間シム４０の厚さを０．１５ｍｍとしたときの測定値をそれぞれ示している。
【００４０】
図８から明らかなように、中間シム４０がメインシム１１の厚さに対して相対的に厚くなるほど、閉鎖圧（流量ゼロのときの圧力）が増大する傾向にあることがわかる。よって、流路抵抗が大きい場合は、中間シム４０の厚さをメインシム１１の厚さよりも相対的に大きくすることが望ましい。
【００４１】
以上の各実施形態によれば、圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０）の複数の圧電体層の間に機械的復元性を有する中間シム４０を介在させたので、圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０）の変位を拡大しつつ、圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０）の機械的強度及び閉鎖圧を高めることができる。したがって、流路系の内圧で圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０）が変形することなく、安定したポンプ動作を実現可能である。これにより、メインシム１１の薄型化にも容易に対応できる。
【００４２】
以上ではメインシム１１の表裏面の一方に圧電体層が複数層形成された圧電振動子（１０、２１０、３１０、４１０）を用いた実施形態について説明したが、本発明は、メインシム１１の表裏面の両方に圧電体層が複数層形成された圧電振動子にも適用可能である。このメインシム１１の表裏面の両方に複数層の圧電体層を備えた圧電振動子では、表裏面のそれぞれに形成した複数層の圧電体層の間に中間シム４０を介在させればよい。また、圧電振動子の圧電体は単層であっても三層以上であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明が対象とする圧電ポンプの基本構造を示す分解斜視図である。
【図２】同圧電ポンプの断面図である。
【図３】第１実施形態の圧電振動子を示す部分拡大断面図である。
【図４】同圧電振動子の模式断面図である。
【図５】第２実施形態の圧電振動子を示す模式断面図である。
【図６】第３実施形態の圧電振動子を示す模式断面図である。
【図７】第４実施形態の圧電振動子を示す模式断面図である。
【図８】中間シムの厚さを変化させながら、流路内の所定位置での流量と圧力を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 圧電振動子
１１ メインシム
１１ａ 配線突起
１２ 積層圧電体
１２ａ 下部圧電体層
１２ｂ 上部圧電体層
１３ａ 中間電極層
１３ｂ シム側電極層
１３ｃ 表面電極層
１４ 第１給電ライン
１５ 第２給電ライン
２０ 圧電ポンプ
２１ ロアハウジング
２２ ミドルハウジング
２３ アッパハウジング
２４ 吸入ポート
２５ 吐出ポート
２６ ドライバ回路基板
２７ Ｏリング（環状狭着部材）
２８ ガイド（環状狭着部材）
２９ 環状電極端子
３０ 吸入流路
３１ 吐出流路
３２、３３ 逆止弁
４０ 中間シム
Ａ 大気室
Ｐ ポンプ室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、
前記圧電振動子は、導電性金属薄板からなるメインシムと、このメインシム上に積層形成した複数層の圧電体層と、この複数層の圧電体層の間に形成した機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムとからなることを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、前記中間シムは、前記複数層の圧電体層の中間位置に介在している圧電ポンプ。
【請求項３】
請求項１または２記載の圧電ポンプにおいて、前記圧電振動子は、前記メインシムの一方の面を前記ポンプ室に臨ませ、他方の面に、前記複数層の圧電体層と中間シムが形成されている圧電ポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、前記中間シムは、前記メインシムよりも高い機械的復元性を有する圧電ポンプ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、前記中間シムと前記メインシムは同一の材料からなり、前記中間シムの厚さは前記メインシムの厚さより厚い圧電ポンプ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、複数層の圧電体層各層の分極方向及び配線接続は、圧電体が単層である場合に比して、圧電振動子の振幅が大きくなるように設定されている圧電ポンプ。
【請求項７】
請求項３ないし６のいずれか一項記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子の中間シムは、該中間シム下の圧電体層より小径であり、この中間シム下の圧電体層の周縁部が一対の環状狭着部材によって狭着支持されている圧電ポンプ。
【請求項８】
請求項３ないし６のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子の中間シムは、該中間シム上の圧電体層より大径であり、この中間シムとメインシムの周縁及び両シムの間の圧電体層が、一対の環状挟着部材によって挟着支持されている圧電ポンプ。
【請求項９】
機械的復元性を有する金属弾性材料からなるメインシムの面上に複数層の圧電体層を積層し、
この複数の圧電体層の間に、機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムを介在させたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項１０】
請求項９記載の圧電振動子において、前記中間シムは、前記メインシムよりも高い機械的復元性を有する圧電振動子。
【請求項１１】
請求項９または１０記載の圧電振動子において、前記中間シムと前記メインシムは同一の材料からなり、前記中間シムの厚さは前記メインシムの厚さより厚い圧電振動子。
【請求項１】
周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、
前記圧電振動子は、導電性金属薄板からなるメインシムと、このメインシム上に積層形成した複数層の圧電体層と、この複数層の圧電体層の間に形成した機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムとからなることを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、前記中間シムは、前記複数層の圧電体層の中間位置に介在している圧電ポンプ。
【請求項３】
請求項１または２記載の圧電ポンプにおいて、前記圧電振動子は、前記メインシムの一方の面を前記ポンプ室に臨ませ、他方の面に、前記複数層の圧電体層と中間シムが形成されている圧電ポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、前記中間シムは、前記メインシムよりも高い機械的復元性を有する圧電ポンプ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、前記中間シムと前記メインシムは同一の材料からなり、前記中間シムの厚さは前記メインシムの厚さより厚い圧電ポンプ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、複数層の圧電体層各層の分極方向及び配線接続は、圧電体が単層である場合に比して、圧電振動子の振幅が大きくなるように設定されている圧電ポンプ。
【請求項７】
請求項３ないし６のいずれか一項記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子の中間シムは、該中間シム下の圧電体層より小径であり、この中間シム下の圧電体層の周縁部が一対の環状狭着部材によって狭着支持されている圧電ポンプ。
【請求項８】
請求項３ないし６のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子の中間シムは、該中間シム上の圧電体層より大径であり、この中間シムとメインシムの周縁及び両シムの間の圧電体層が、一対の環状挟着部材によって挟着支持されている圧電ポンプ。
【請求項９】
機械的復元性を有する金属弾性材料からなるメインシムの面上に複数層の圧電体層を積層し、
この複数の圧電体層の間に、機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムを介在させたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項１０】
請求項９記載の圧電振動子において、前記中間シムは、前記メインシムよりも高い機械的復元性を有する圧電振動子。
【請求項１１】
請求項９または１０記載の圧電振動子において、前記中間シムと前記メインシムは同一の材料からなり、前記中間シムの厚さは前記メインシムの厚さより厚い圧電振動子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２０２４０８（Ｐ２００８−２０２４０８Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３５８７９（Ｐ２００７−３５８７９）
【出願日】平成１９年２月１６日（２００７．２．１６）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１６日（２００７．２．１６）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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