壓電泵的製作方法

2023-06-04 18:43:01 1

專利名稱：壓電泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓電泵，更詳細而言，涉及使用彎曲變形的壓電元件的壓電泵。
背景技術：
以往，已知的壓電泵包括具有泵室的泵本體；以及為了關閉上述泵室的開口部而 固定在泵本體上的、通過施加電壓而彎曲位移使泵室的容積產生變化的壓電元件。作為壓 電元件，有單壓電晶片(unimorptO振動膜或雙壓電晶片(bimorph)振動膜，但無論在哪種 情況下，由於將壓電元件的周圍固定在泵本體上，因此存在壓電元件的中心部不能大幅位 移、無法得到充分的排出流量這樣的缺點。作為解決這樣的問題的方案，在專利文獻1提出了一種壓電泵，該壓電泵使用由 可利用壓電效應激勵的第一層以及與第一層結合的支承層形成的、可控制的單壓電晶片結 構的膜體，上述膜體具有可分別利用壓電效應激勵的周邊範圍和中心範圍，並進行控制，使 得在周邊範圍沿橫向收縮時，中心範圍擴張。此時，即使膜體的周邊部被泵本體限制並支 承，但由於中央部和周邊部的彎曲方向相反，因此在膜體的中央部可以得到較大的位移量。 因此，具有可以得到較大的排出流量的優點。專利文獻1 日本專利特表平1-500892號公報作為解決同樣問題的方案，在專利文獻2提出了一種方案，該方案將壓電元件由 雙壓電晶片振子構成，其電極被分割為中央部側和被泵本體支承的周邊部側，對該中央部 側和周邊部側的各電極施加極性互相相反的交流電壓。此時，由於壓電元件是將兩片壓電 體粘合的雙壓電晶片的結構，因此與專利文獻1相比，可以得到更大的位移量。專利文獻2 日本專利特開平344383號公報圖27表示專利文獻2所示的壓電元件及其驅動電路。圖27中，壓電元件100是 將兩片壓電體101、102夾住金屬板103而粘合，在其上下表面形成電極。上表面的電極由 周邊電極104和中央電極105形成，下表面的電極也由周邊電極106和中央電極107形成。 將交流電源108的一端連接於金屬板(公共電極)103，將另一端部通過控制部109連接於 周邊電極104、106，並且通過反相器110連接於中央電極105、107。壓電體101、102如箭頭 P所示，整體被極化為相同方向。從圖27可知，金屬板103為接地電位，對周邊電極104、106和中央電極105、107 施加相位相差180°的電壓。各壓電體的中央部和周邊部的電場E方向相反。利用作用在 金屬板103和上下表面的電極之間的電場E，可以使壓電體101、102的各部分產生伸長位移 或者收縮位移。電場方向和極化方向為相同方向的壓電體收縮，電場方向和極化方向為相 反方向的壓電體伸長。其結果是，如上所述，壓電元件100的中央部側和周邊部側的彎曲方向相反，即使將壓電元件100的周邊部固定在泵本體上，在壓電元件100的中央部也能得到 較大位移。上述結構的壓電元件100由於是將兩片燒成且已極化的壓電體101、102夾住金屬 板103粘合而成，所以各壓電體的厚度較厚，為了得到所需的位移，需要提高驅動電壓。而 由於驅動電壓高，因此驅動電路會變大。特別是考慮將壓電泵安裝在可攜式設備上時，需要 高驅動電壓這樣的狀況並不理想。另外，由於在同一面上鄰接的周邊電極和中央電極的電 位不同，因此可能會由於遷移而導致短路。隨著壓電泵的小型化，若縮小壓電元件的尺寸， 則由於將周邊電極和中央電極之間電絕緣用的間隙也會相應地變窄，因此產生短路的危險 性增大。並且，由於採用在驅動時使中央部和周邊部的電位相反的結構，因此需要對中央的 金屬板103 ；周邊電極104、106衝央電極105、107分別施加不同的三種電壓。因此，存在的 問題是必須在每層引出多條布線，布線變得複雜，且設置反相器110等的驅動電路變得複雜。

發明內容
因此，本發明的理想的實施方式的目的是提供一種壓電泵，該壓電泵即使驅動電 壓比較低，也能在壓電元件的中央部得到較大位移量，並且可以防止由於遷移而產生的短路。為達到上述目的，本發明提供的壓電泵包括具有泵室的泵本體；以及為了關閉 上述泵室而保持在泵本體上的、利用施加電壓而彎曲位移使泵室的容積產生變化的壓電元 件，上述壓電元件中與泵室對應的部分具有中心範圍以及圍住中心範圍的周邊範圍，利用 施加在上述壓電元件的驅動電壓使上述中心範圍和周邊範圍向相反方向彎曲位移，該壓電 泵的特徵是，上述壓電元件是對多個壓電體層將電極置於其間進行層疊、燒成，之後極化而 成，各壓電體層內的上述中心範圍和周邊範圍在厚度方向互相被極化為相反方向，並形成 上述電極，使得在各壓電體層內對上述中心範圍和周邊範圍施加沿厚度方向為同一方向的 驅動電場，對形成於上述壓電體層的同一面上的電極施加同一電位的驅動電壓。本發明的壓電泵中使用的壓電元件是層疊多個壓電體層而成。即，壓電元件是對 於生片狀態的壓電陶瓷層將電極置於其間，進行層疊壓接、燒成，之後極化而成。因此，與以 往的將兩片已燒成的壓電板夾住金屬板而粘合的雙壓電晶片型的壓電元件相比，可以輕薄 化，並且可以降低驅動電壓，實現低驅動電壓的小型泵。為了使壓電元件的中心範圍和周邊 範圍向相反方向彎曲位移，在各壓電體層內將中心範圍和周邊範圍在厚度方向被極化為相 反方向，而且形成電極，使得在各壓電體層內對中心範圍和周邊範圍施加沿厚度方向為同 一方向的驅動電場。並且，由於對形成於壓電體層的同一面上的電極施加同一電位的驅動 電壓，因此即使在同一面上形成多個電極，也可以防止在這些電極間由於遷移而產生的短 路，可以得到長時間穩定的動作。考慮例如層疊兩層壓電體的最簡單的壓電元件，在各壓電體層內，只要將中心範 圍和周邊範圍在厚度方向被極化為互相相反的方向，且使鄰接的壓電體層的極化方向為相 同方向即可。該狀態下，在各壓電體層內，若對中心範圍和周邊範圍施加沿厚度方向為同一 方向的驅動電場，則例如上側壓電體層的中心範圍收縮時，下側壓電體層的中心範圍伸長， 上側壓電體層的周邊範圍伸長，且下側壓電體層的周邊範圍收縮。因此，壓電元件的中央部側和周邊部側的彎曲方向相反，即使壓電元件的周邊部被泵本體限制並支承，也能在壓電 元件的中央部得到較大位移。若採用該理想的實施方式，上述電極也可以具有分別與上述中心範圍和周邊範 圍對應的、被分割的分割電極；以及在上述中心範圍和周邊範圍連續的連續電極，上述分割 電極和上述連續電極在上述壓電體層的層疊方向交替設置。此時，由於在每一層可以形成 連續的連續電極，因此可以抑制由於電極和間隙部的厚度差而導致的壓電體的變形。另外， 可以容易適用於兩層以上的任意多層結構的壓電元件，可以降低驅動電壓。其結構不限於將上述分割電極和連續電極有規律地交替形成，也可以在層疊方向 鄰接的兩個分割電極之間，形成兩層以上的連續電極，在該兩層以上的連續電極之間形成 不會自發位移的中間層。例如在壓電元件的厚度方向鄰接的兩個分割電極間形成兩層連續 電極時，被兩層連續電極夾住的壓電體層成為在對電極施加驅動電壓時不伸縮的中間層。 通過使夾住中間層的一側的壓電體層和另一側的壓電體層的位移相反，中間層可以緩和在 兩個壓電體層之間產生的應力，使其高效地彎曲位移。若採用理想的實施方式，上述分割電極也可以包括在與上述中心範圍對應的部 分形成的中心電極；在與上述周邊範圍對應的部分形成的、通過間隙將上述中心電極圍住 的周邊電極；以及從上述中心電極橫切周邊電極而引出到上述壓電體層的外周部的引出電 極，上述壓電元件具有在其層疊方向、施加驅動電壓時伸縮方向不同的第一壓電體部及第 二壓電體部，在上述壓電元件的外周部形成第一連接電極及第二連接電極，其中第一連接 電極將引出在上述第一壓電體部的壓電體層形成的中心電極的引出電極、和在第二壓電體 部的壓電體層形成的周邊電極相互連接，第二連接電極將在上述第一壓電體部的壓電體層 形成的周邊電極、和引出在上述第二壓電體部的壓電體層形成的中心電極的引出電極相互 連接。在中心電極的周圍被周邊電極圍住時，需要將中心電極引出到外部。例如專利文 獻2所示由導線引出時，由於導線連接于振動部分，因此阻礙壓電元件振動的可能性較大。 而且，如專利文獻2所示，在使厚度方向中央的連續電極為接地電位、對極化電極的周邊電 極和中央電極施加極性不同的電壓的方法中，必須在每層引出多條導線，布線複雜。與之 不同的是，從中心電極通過橫切周邊電極的引出電極引出到壓電體層的外周部，並且，壓電 元件在其層疊方向具有在施加驅動電壓時伸縮方向不同的第一壓電體部及第二壓電體部， 若將引出在第一壓電體部的壓電體層形成的中心電極的引出電極、與在第二壓電體部的壓 電體層形成的周邊電極通過第一連接電極相互連接，將在第一壓電體部的壓電體層形成的 周邊電極、與引出在第二壓電體部的壓電體層形成的中心電極的引出電極通過第二連接電 極相互連接，則在極化時和驅動時不必變更電極的形狀，可以簡化布線、極化電路及驅動電 路。即，在極化時，例如若將連續電極接地，對第一壓電體部的中心電極和第二壓電體部的 周邊電極施加正的直流電壓，對第一壓電體部的周邊電極和第二壓電體部的中心電極施加 負的直流電壓，則可以簡單極化層疊結構的壓電元件。在驅動時，例如若將連續電極接地， 對兩者的壓電體部的中心電極及周邊電極施加相同電位的交變電壓，則在中心部和周邊部 可以得到彎曲方向不同的理想位移。即，由於驅動電壓只需兩種即可，不需要反相器，因此 可以簡化驅動電路。另外，交變電壓除了交流電壓之外，也可以是矩形波電壓。作為上述連接電極，可以是在壓電體層的外周面形成的端面電極，也可以是在厚度方向貫穿壓電體層的通孔導體或通孔。若設有連接電極的壓電元件的外周部被保持在泵 本體上，則不會阻礙振動，可以得到不會斷線、疲勞等可靠性較高的連接。另外，在將壓電元 件與膜片(diaphragm)粘貼時，由於可以將其粘貼面側的電極通過引出電極引出到壓電元 件的外緣部，因此與膜片的粘貼可靠性也提高。若應用該實施方式的電極引出結構，則可以 容易適用於相同電極圖案形狀的兩層以上的多層結構的壓電元件。在第一壓電體部及第二壓電體部分別層疊有多個壓電體層的結構時，將在第一壓 電體部的壓電體層形成的中心電極彼此之間及周邊電極彼此之間分別相互連接，將在第二 壓電體部的壓電體層形成的中心電極彼此之間及周邊電極彼此之間分別相互連接較好。此 時，為了將中心電極彼此之間及周邊電極彼此之間相互連接，也可以使用與上述同樣的連 接電極。據此，可以簡化布線、極化電路及驅動電路。若採用理想的實施方式，也可以在上述周邊範圍的外周側形成不會自發彎曲變形 的中性範圍，上述中性範圍被上述泵本體保持。在雙壓電晶片型壓電元件的情況下，由於若 其振動範圍被保持在泵本體上，則欲產生位移的部分被強制限制，因此電能浪費，且在壓電 元件和泵本體之間容易產生間隙，可能產生壓力洩漏。與之相對，如上所述，通過將中性範 圍保持在泵本體上，可以使壓電元件高效地位移，並且可以抑制壓電元件和泵本體之間的 壓力洩漏。另外，中性範圍是指未形成有電位不同的電極互相對置的部分；或者即使該部分 形成有電位不同的電極互相對置、但未極化的部分。即使施加驅動電壓，這樣的範圍本身也 不會彎曲變形。上述壓電體層可以形成為四邊形，上述中心電極形成為圓形，上述周邊電極形成 為與上述中心電極同心的圓環狀。中心電極及周邊電極的形狀也可以如專利文獻2所示都 是矩形。此時，雖然可以得到最大的位移量，但在電極的角落部分應力集中，會產生裂紋等， 從而影響壓電元件的耐久性。在本實施方式中，由於中心電極及周邊電極是圓形，因此應力 的集中較小，可以使壓電元件的耐久性提高。另一方面，由於壓電體層的外形形狀是四邊 形，從層疊的大型基板切下時，製造、加工簡單，材料的成品率高。若採用理想的實施方式，也可以在壓電元件的泵室側的側面，面對面地粘結將泵 室和壓電元件隔離的膜片。作為膜片，可以是金屬板、玻璃環氧板、樹脂片材、橡膠片材，還 可以進行表面處理或樹脂塗覆。膜片防止泵室內的液體與壓電元件直接接觸，並且可以用 作為防止液體洩漏用的保護材料，非常有用。若採用本發明的理想的實施方式，則提供一種壓電泵，該壓電泵包括具有泵室的 泵本體；以及為了關閉上述泵室而被保持在泵本體上的利用施加電壓而彎曲位移使泵室的 容積產生變化的壓電元件，該壓電泵的特徵是，上述壓電元件是層疊多個壓電體層的雙壓 電晶片型壓電元件，在上述壓電元件的泵室側的側面，面對面地粘結將上述泵室和壓電元 件隔離的膜片，使上述壓電元件單體的伸縮相反面、與將上述壓電元件與膜片粘結的狀態 下的中立面一致。在雙壓電晶片型壓電元件單體中，對壓電元件單體施加的驅動電壓的強度與極化 度一樣時，例如，通過將厚度方向中央作為伸縮相反面，可以使位移最大。但是，在將雙壓電 晶片型壓電元件與膜片粘貼時，若將壓電元件的厚度方向中央作為伸縮相反面，則無法使 位移最大。其理由是，由於壓電元件與膜片粘結，因此整個膜片的中立面會與壓電元件的 伸縮相反面偏離。因此，成為壓電元件的一部分將制止彎曲位移那樣的動作，位移變小，影響了泵的效率，並且無用的發熱增多。因此，若採用本實施方式，則通過使壓電元件單體的 伸縮相反面、與將壓電元件與膜片粘結的狀態下的中立面一致，解決了上述問題，使位移最 大。另外，該實施方式的壓電元件不限於上述的周邊範圍和中心範圍向相反方向彎曲的結 構的壓電元件，也可以是一般的雙壓電晶片結構的壓電元件。另外，也不限於層疊結構的壓 電元件，也可以粘合多片單個的壓電元件。所謂壓電元件單體的伸縮相反面是指，在對壓電元件單體施加驅動電壓時，壓電 元件的厚度方向中欲伸長一側和欲收縮一側的邊界面。具體而言，是極化方向和驅動時的 電場方向相同的部分、與極化方向和驅動時的電場方向相反部分的邊界面。在對壓電元件 單體施加的驅動電壓的強度及極化度一樣時，該壓電元件單體的伸縮相反面是壓電元件單 體的中立面，即，與壓縮及拉伸的應力為0的面一致。所謂整個膜片的中立面是指，在粘貼 了壓電元件的整個膜片彎曲變形時，壓電體元件與膜片合起來的結構的壓縮及拉伸應力為 0的面。因此，通過使壓電元件單體的伸縮相反面與整個膜片的中立面一致，使應力平衡。 一般而言，整個膜片的中立面位於相對於壓電元件的厚度方向中央偏向膜片側的位置。該 偏離量根據膜片的楊氏模量或厚度而不同。作為使壓電元件單體的伸縮相反面與整個膜片的中立面一致的具體的方法，有 將上述伸縮相反面置於其間、使上述壓電元件的膜片側的相反側的厚度比膜片側的厚度要 厚的方法；或者使上述壓電元件的膜片側的相反側的壓電體層的層疊數比膜片側的壓電體 層的層疊數要多的方法。另外，即使沒有使壓電元件單體的伸縮相反面位於從壓電元件的 中央偏向膜片側的位置，但有時也能使壓電元件單體的伸縮相反面與整個膜片的中立面一 致。即，有使得對上述壓電元件的膜片側的相反側的壓電體層施加的驅動電壓的電場強度 比對膜片側的壓電體層施加的驅動電壓的電場強度要高的方法；以及使得上述壓電元件的 膜片的相反側的壓電體層的極化度比膜片側的壓電體層的極化度要高的方法等。如上所述，若採用本發明，則由於壓電元件的周邊範圍和中心範圍向相反方向彎 曲，因此即使壓電元件的外周部被保持在泵本體上，也能在壓電元件的中心部得到較大位 移量，可以增大最大排除體積。特別是，由於使用將多個壓電體層層疊的壓電元件，因此可 以使壓電元件更薄，並且，由於多層化，而可以降低驅動電壓，可以實現低耗電量的小型泵。 另外，由於對形成於構成壓電元件的各壓電體層的同一面上的電極，施加同一電位的電壓， 因此同一面上的鄰接的周邊電極和中央電極的電位相同，可以防止由於遷移而導致產生短 路。根據本發明的其它特徵，由於將雙壓電晶片型壓電元件面對面地與膜片粘結，並 且使壓電元件單體的伸縮相反面、與在將壓電元件與膜片粘結的狀態下的中立面一致，因 此壓電元件中制止整個膜片的彎曲位移的動作的部分消失，位移量變大，可以使泵效率提 高，無用的發熱也變小。


圖1是本發明所涉及的壓電泵的第一實施方式的整體俯視圖。圖2是圖1所示的壓電泵的II-II線剖視圖。圖3是圖1所示的壓電泵的III-III線剖視圖。圖4是圖1所示的壓電泵中使用的壓電元件的立體圖。
圖5是圖4所示的壓電元件的分解立體圖。
圖6是圖4所示的壓電元件的各層的電極圖案的圖。
圖7是表示圖4所示的壓電元件的極化方法的電路圖。
圖8是表示圖4所示的壓電元件的驅動方法的電路圖及位移圖。
圖9是在壓電元件的外周部具有中性範圍的情況的位移圖。
圖lo是壓電元件的第二實施方式的立體圖。
圖11是圖lo所示的壓電元件的分解立體圖。
圖12是表示圖lo所示的壓電元件的各層的極化狀態的概略剖視圖。
圖13是表示圖lo所示的壓電元件的驅動方法的概略剖視圖。
圖14是壓電元件的第三實施方式的立體圖。
圖15是圖14所示的壓電元件的分解立體圖。
圖16是圖14所示的壓電元件的各層的電極圖案的圖。
圖17是壓電元件的第四實施方式的概略剖視圖。
圖18是壓電元件的第五實施方式的概略剖視圖。
圖19是本發明所涉及的壓電泵中使用的壓電元件及膜片的第六實施方式的概略剖視圖。
圖20是變更壓電元件的層疊數的例子在極化時及驅動時的概略剖視圖。
圖2l是變更壓電元件的各層厚度的例子在極化時及驅動時的概略剖視圖。
圖22是變更壓電元件的各層的電場強度的例子在極化時及驅動時的概略剖視圖。
圖23是變更壓電元件的各層的極化度的例子在極化時及驅動時的概略剖視圖。
圖24是表示雙壓電晶片壓電元件單體的上層厚度和整體厚度的比率和位移變化率的關係的圖。
圖25是表示將雙壓電晶片壓電元件與玻璃環氧制膜片粘貼時的上層厚度和整體厚度的比率和位移變化率的關係的圖。
圖26是表示將雙壓電晶片壓電元件與SUS(不鏽鋼)制膜片粘貼時的上層厚度和整體厚度的比率和位移變化率的關係的圖。
圖27是驅動已有例的壓電元件時的電路圖。
標號說明
Al中心範圍
A2周邊範圍
lo泵本體
] 12泵室
13 流入側閥室
13排出側閥室
16流入側單向閥
17排出側單向閥
20膜片
2l壓電元件
2la、2Ib 壓電體層22a連續電極23a、24a 中心電極23b, 24b 周邊電極
具體實施例方式實施方式1下面，參照圖1 圖3說明本發明所涉及的壓電泵的第一實施方式。此處，圖1是 壓電泵的整體俯視圖，圖2是圖1的II-II剖視圖，圖3是圖1的III-III剖視圖。該壓電泵1包括泵本體10、膜片20、壓電元件21、按壓板25。泵本體10由金屬材 料或者樹脂材料這樣的高剛性材料形成。在泵本體10和按壓板25之間，形成以互相連接 的流路14、15連通的流入側閥室11、泵室12、排出側閥室13。在流入側閥室11配置流入側 單向閥16。流入側單向閥16的作用是容許流體從流入側埠向流入側閥室11流動，但阻 止其向相反方向流動。在排出側閥室13配置排出側單向閥17。排出側單向閥17的作用是 容許流體從泵室12向排出側閥室13流動，但阻止其向相反方向流動。泵室12是高度方向的尺寸比平面方向的尺寸要小的扁平的空間，一個面被膜片 20關閉，其它壁面被剛體形成的泵本體10包圍。作為泵本體10，可以使用金屬材料，也可 以使用樹脂材料。此處的泵室12俯視是圓形，但也可以是方形。膜片20由具有彈性的薄板形成，配置在泵本體10的上表面的幾乎全部表面，被粘 結固定在與按壓板25之間。膜片20的材質沒有特別限定，但較為理想的是使用玻璃環氧 板、樹脂片材、橡膠片材等楊氏模量較低、厚度較薄的板。在膜片20上，面對面地粘結壓電 元件21。壓電元件21的與彎曲方向垂直的面的面積，比泵室12的與體積變化方向垂直的 面的面積要大，壓電元件21的外周部將膜片20夾住粘結在泵本體10的對置面。S卩，整個 泵室12被壓電元件21覆蓋。該實施方式的膜片20可以用作防止液體從泵室12洩漏的密 封、以及防止泵室12內的液體與壓電元件21接觸的保護片材。在按壓板25的與壓電元件 21對應的部位形成窗孔沈，使壓電元件21的背面側打開。另外，上述的例子中設置了膜片20，但毋庸置疑的是並未排除未設置膜片20的情 況，也可以將壓電元件21單獨配置於泵本體10的上表面的幾乎全部表面，壓電元件21起 到作為泵本體的蓋板的作用。此時，相當於泵室12的蓋板的部分、即壓電元件21的厚度， 與泵本體10中相當於泵室12的底部的部分的厚度大致相同時較為理想。若採用這樣的結 構，即使是例如厚度Imm左右的小型及薄型的壓電泵，也可以使產生的壓力最大。通常，產 生的壓力也與相當於泵室12的蓋板的部分及相當於底部的部分的楊氏模量有關。但是，在 相當於泵室12的蓋板的部分與相當於底部的部分的厚度大致相等時，即使相當於泵室12 的蓋板的部分、與相當於底部的部分的楊氏模量多少有些差異，也能夠使產生的壓力大致 最大，在這一點上是有益的。圖4 圖6是表示壓電元件21的具體結構的一個例子。壓電元件21是層疊兩層 由壓電陶瓷形成的壓電體層21a、21b的雙壓電晶片結構，整體呈四邊形板狀。具體而言，對 於兩層生片狀態的壓電陶瓷層21a、21b，將作為連續電極的層間電極22位於其間，進行層 疊壓接、燒成，在上下表面形成電極23J4之後，進行極化處理而成。圖6表示上表面的電極圖案(a)與層間的電極圖案(b)與下表面的電極圖案(C)。層間的電極22形成為除了寬度狹窄的邊緣而大致覆蓋壓電體層21a、21b的四邊 形，通過引出部2 被引出到壓電體層的外側邊緣，與形成於壓電體層的外周端面的連接 電極的一個例子的端面電極25連接。上表面的電極23具有圓形的中心電極23a ；通過間 隙部圍住中心電極的同心圓狀的周邊電極23b ；以及從中心電極23a沿徑向橫切周邊電極 2 而引出到壓電體層的外側緣的引出電極23c。引出電極23c與形成於壓電體層的外周 端面的連接電極的一個例子的端面電極26連接，周邊電極2 通過引出部23bl與形成於 壓電體層的外周端面的連接電極的一個例子的端面電極27連接。下表面的電極M具有 圓形的中心電極Ma;通過間隙部圍住中心電極的同心圓狀的周邊電極Mb ；以及從中心電 極Ma沿徑向橫切周邊電極24b而引出到壓電體層的外側緣的引出電極Mc。引出電極2 與上表面電極23的引出電極23c形成於互相不對置的位置。引出電極2 與上述端面電 極27連接，周邊電極24b通過引出部Mbl與上述端面電極沈連接。在這個例子中，是將 所有的端面電極25 27形成於壓電元件21的一個端面，但當然也可以形成於例如不同的 端面。另外，在這個例子中，是將連接於接地的端面電極26形成於端面電極25和端面電極 27之間，但毋庸質疑的是，其順序、形成位置也可以變更。另外，從容易布線的角度來看，端 面電極25 27的數量較少時比較理想，但在布線即使複雜也沒關係時，也可以設置除了電 極25 27之外的布線。另外，也可以通過通孔導體或者通孔連接，代替端面電極25 27。對壓電元件21設置向相反方向彎曲位移的中心範圍和周邊範圍，其中心範圍被 中心電極23a、2^劃定；周邊範圍被周邊電極23b、24b劃定。層間電極22是橫跨中心範圍 和周邊範圍的連續電極(整片電極)。在該實施方式中，若設壓電元件21的伸縮方向不同 的兩個壓電體層2la、2Ib的邊界為Fp，則邊界Fp位於層間電極22的位置。圖7是表示壓電元件21在極化時的電路布線的一個例子。如圖7所示，將上表面 電極23的中心電極23a和下表面電極M的周邊電極24b連接於直流電源的一極(例如正 極)，將上表面電極23的周邊電極2 和下表面電極M的中心電極2 連接於直流電源的 另一極(例如負極)，將層間電極22連接於接地。據此，壓電體層21a、21b被極化為如圖7 的箭頭P所示的方向。即，對於各壓電體層21a、21b，中心範圍Al和周邊範圍A2沿厚度方 向被極化為互相相反的方向，且鄰接的兩個壓電體層21a、21b對應的部分被極化為相同方 向。如上所述，由於上表面電極23的中心電極23a和下表面電極M的周邊電極24b通過 端面電極26相互連接，上表面電極23的周邊電極2 和下表面電極M的中心電極2 通 過端面電極27相互連接，並且層間電極22與端面電極25連接，因此若在這三個端面電極 25、26、27間施加直流電壓，則可以如圖7所示那樣簡單進行極化。另夕卜，圖4 圖6中，引出部23bl及Mbl也可以作為引出電極，將引出電極23c 及引出部Mbl與引出電極2 及引出部23bl引出到壓電體層21a及21b分別對置的角。 在這樣構成的情況下，來看整個壓電泵時，由於引出電極是對稱構成的，因此與將所有的引 出電極引出到一端面相比，壓電元件會均勻彎曲，可以穩定驅動。圖8表示壓電元件21在驅動時的電路布線及位移的一個例子。將層間電極22連 接於交流電源的接地側，將上表面電極23的中心電極23a及周邊電極23b、下表面電極M 的中心電極2 及周邊電極24b連接於交流電源的驅動側。據此，如圖8(b)所示，產生從 上下表面的電極23、24向層間電極22的方向的電場E，上側壓電體層的中心範圍Al收縮，下側壓電體層的中心範圍Al伸長；上側壓電體層的周邊範圍A2伸長，下側壓電體層的周邊 範圍A2收縮。若電場E相反，則上述的伸縮方向也相反。其結果是，壓電元件21的中心範 圍Al和周邊範圍A2向相反方向彎曲位移，即使限制並保持外周部，也能在中心部得到較大 位移量。由於驅動時各壓電體層的同一面內處於同一電位，因此由於遷移而導致的短路的 危險性降低。並且，由於上表面電極23的中心電極23a和下表面電極M的周邊電極24b 連接於端面電極26，上表面電極23的周邊電極2 和下表面電極M的中心電極2 連接 於端面電極27，並且層間電極22也與端面電極25連接，所以若在端面電極25和端面電極 26,27間施加交流電壓，則可以使其簡單產生位移。因此，可以使布線簡單，簡化驅動電路。圖9表示在外周部具有中性範圍A3的壓電元件21的支承結構的一個例子。在圖 8(b)中，表示了將周邊範圍A2直接支承在泵本體10上的例子，但如圖6所示，在將周邊電 極23b、24b的外周緣設定於壓電體層的外周緣的內側時，在壓電元件21的外周部可以形成 不彎曲變形的中性範圍A3。通過將該中性範圍A3固定在泵本體10上，可以使周邊範圍A2 更自由地位移。因此，可以使電能的損耗減小，並且可以降低在壓電元件21(膜片20)和泵 本體10的界面產生的剝離，進而降低液體洩漏。在圖9中，為了易於理解而省略了膜片，但 在壓電元件21的一面粘結膜片的情況也一樣。實施方式2圖10 圖13表示壓電元件的第二實施方式。該壓電元件30層疊多層(此處為 8層)具有圖6所示的三個電極圖案(a) (c)的壓電體層31a 31h。從上至下以(b)、 (a)、(b)、(a)、(b)、(c)、(b)、(c)、(b)的順序配置電極圖案。即，連續電極和分割電極在層
疊方向交替配置。各壓電體層31a 31h如圖12所示那樣被極化。即，所有的壓電體層31a 31h 在一層內的中心範圍和周邊範圍的極化方向是相反方向。在將所有的壓電體層31a 31h 作為其伸縮方向不同的第一壓電體部和第二壓電體部時，若設其邊界為Fp，則在邊界Fp上 側的四層壓電體層31a 31d(第一壓電體部)，在厚度方向鄰接的壓電體層彼此之間被 極化為互相相反的方向。同樣地，在邊界Fp下側的四層壓電體層31e 31h (第二壓電體 部)，在厚度方向鄰接的壓電體層彼此之間被極化為互相相反的方向。而且，只有以邊界Fp 居中、而鄰接的厚度方向中心部的兩個壓電體層31d、31e的極化方向相同。極化時，例如如 圖12所示，只要將連續電極22連接於接地，對上側四層的中心電極23a和下側四層的周邊 電極24b施加正的直流電壓，對上側四層的周邊電極2 和下側四層的中心電極2 施加 負的直流電壓即可。具體而言，通過將端面電極25連接於接地，對端面電極沈施加正的直 流電壓，對端面電極27施加負的直流電壓，可以進行如圖12的方向的極化。在驅動時，對於如上所述的被極化的壓電元件30，如圖13所示，在連續電極22和 所有的中心電極23a、2^及周邊電極23b、24b之間施加交變電壓。例如，若在虛線箭頭所 示的方向施加電場E，則如橫向箭頭所示，壓電體層的中心範圍和周邊範圍伸縮，可以使壓 電元件30的中心範圍和周邊範圍向相反方向彎曲變形。若電場E的方向相反，則壓電體層 在與圖13相反的方向伸縮。此時，也由於同一面內的鄰接的中心電極23a和周邊電極23b、 及中心電極2 和周邊電極24b是同一電位，因此可以防止由於遷移而導致產生短路。另 外，若使端面電極26、27為同一電位，在端面電極沈、27和端面電極25之間施加交變電壓， 則由於可以產生期望的彎曲位移，因此可以簡化驅動電路。在該實施方式中，由於與第一實施方式相比層疊更多層的壓電體層，因此可以使每一層的厚度變薄，能以更低的電壓驅動。 另外，壓電體層的層數可以任意選擇。實施方式3圖14 圖16表示壓電元件的具體結構的其它例。該壓電元件40也與第一實施 方式同樣，是層疊兩層由壓電陶瓷形成的壓電體層41a、41b的元件。即，對於兩層生片狀態 的壓電陶瓷層41a、41b將層間電極42置於其間，進行層疊壓接、燒成，在上下表面形成電極 43、44之後，進行極化處理而成。圖16表示上表面的電極圖案(a)與層間的電極圖案(b) 與下表面的電極圖案(C)。層間的電極42由圓形的連續電極42a、與設置在其周圍的四個角部的虛設電極 42b形成，圓形的連續電極4 通過引出部42al被引出到壓電體層的外側緣，與形成於壓 電體層的外周端面的端面電極45連接。虛設電極42b是孤立的電極，不與其它電極連接。 上表面的電極43具有圓形的中心電極43a;通過間隙部圍住中心電極的周邊電極43b ；以 及從中心電極43a沿徑向橫切周邊電極4 而引出到壓電體層的外側緣的引出電極43c。 引出電極43c與形成於壓電體層的外周端面的端面電極46連接，周邊電極4 通過引出部 43bl與形成於壓電體層的外周端面的端面電極47連接。下表面的電極44具有圓形的中 心電極44a ；通過間隙部圍住中心電極的周邊電極44b ；以及從中心電極4 沿徑向橫切周 邊電極44b而引出到壓電體層的外側緣的引出電極44c。引出電極Mc在周向與上表面電 極43的引出電極43c形成於不同的位置。引出電極Mc與上述端面電極47連接，周邊電 極44b通過引出部44b 1與上述端面電極46連接。中心電極43a、4 與連續電極4 形成 同心圓。另外，端面電極45 47的形成位置可以任意變更。壓電元件40的中心範圍被中心電極43a、Ma劃定，周邊範圍被連續電極42a的外 周緣和周邊電極43b、44b的內周緣劃定。在壓電元件40的外周部，形成不自發彎曲變形的 中性範圍。在該實施方式中，上表面電極43的周邊電極4 及下表面電極44的周邊電極 44b伸長到壓電體層的外周緣附近，由於在層間電極42形成覆蓋壓電體層的外周緣的虛設 電極42b，因此電極42、43、44為大致覆蓋壓電體層的形狀。因此，層疊多層壓電體層時，減 小由於有無電極而導致的變形，可以預防在燒成、極化時或驅動時產生裂紋。在該實施方式的情況下，上表面電極43的中心電極43a和下表面電極44的周邊 電極44b也通過端面電極46相互連接，上表面電極43的周邊電極4 和下表面電極44的 中心電極4 也通過端面電極47相互連接。而且，連續電極4 連接於端面電極45。因 此，在極化時，通過將端面電極46連接於直流電源的一極，將端面電極47連接於直流電源 的另一極，將端面電極45連接於接地，可以與圖7同樣地進行極化。另外，在驅動時，通過 將端面電極45連接於交流電源的接地側，將端面電極46、47連接於交流電源的驅動側，可 以產生與圖8(b)同樣的位移。即，通過將三個端面電極45、46、47適當電連接，可以不變更 電極形狀，易於實施壓電元件40的極化和驅動。實施方式4圖17所示的壓電元件60層疊了三層壓電體層61a 61c，與圖8所示的實施方式 相比，在厚度方向中央部設置緩和應力用的中間層61b這一點不同。表面、背面的電極分別 被分割為中心電極62a、63a和周邊電極62b、63b，層間的電極是橫跨中心範圍和周邊範圍 的連續電極64、65。連續電極64、65夾住中間層61b設置在其兩個面。在這個例子中，中間層61b未極化，不伸縮。在驅動時，如圖17所示，將交流電源66的一端側連接於分割電 極62a、62b、63a、63b，將另一端側連接於連續電極64、65。例如若在虛線箭頭E所示的方向 施加電場時，可以使中心範圍向上凸起、使周邊範圍向下凸起那樣進行彎曲位移。在此情況 下，也由於同一面內鄰接的中心電極6 和周邊電極62b、及中心電極63a和周邊電極6 是同一電位，因此可以防止由於遷移而導致產生短路，可以簡化驅動電路。由於中間層61b 緩和了作用在上側的壓電體層61a和下側的壓電體層61c的界面的應力，因此可以高效地 彎曲位移。實施方式5圖18所示的壓電元件70層疊了五層壓電體層71a 71e。在厚度方向中心部設置 緩和應力用的中間層71c。一層內的中心部和周邊部的極化方向相反，且厚度方向中心側的 兩個壓電體層71b、71d的極化方向相同，但外側的壓電體層71a、71e的極化方向相對於在 厚度方向鄰接的壓電體層71b、71d，是分別相反的方向。在這個例子中，夾住中間層71c在 其兩側的電極72、73和表面、背面的電極74、75是連續電極，但除此之外的層間的電極76a、 76b及77a、77b是被分割為中心部和周邊部的電極。即，連續電極和分割電極在層疊方向交 替配置。在驅動時，如圖18所示，將交流電源78的一端側連接於分割電極76a、76b、77a、 77b，將另一端側連接於連續電極72、73、74、75。例如若在虛線箭頭E所示的方向施加電場 時，可以使中心範圍向上凸起、使周邊範圍向下凸起那樣進行彎曲位移。在此情況下，也由 於同一面內鄰接的中心電極76a、77a和周邊電極76b、77b是同一電位，因此可以防止由於 遷移而導致產生短路，可以簡化驅動電路。另外，在圖17及圖18中，說明了壓電體層為三 層及五層的情況，但也可以在最外層層疊多個壓電體層，交替形成連續電極及分割電極。實施方式6圖19表示本發明所涉及的壓電泵中使用的膜片80及與其一個面粘貼的壓電元件 90。壓電元件90是雙壓電晶片型壓電元件，不限於如第一 第五實施方式所示的中心範圍 和周邊範圍的彎曲方向相反的元件，其彎曲方向也可以相同。在雙壓電晶片型的壓電元件90單體中，在對壓電元件單體施加的驅動電場的強 度及極化的大小一樣時，例如，如圖19(a)所示，通過將厚度方向中央作為伸縮相反面Fp， 可以使位移最大。但是在將雙壓電晶片型的壓電元件90與彈性膜那樣的膜片80粘貼來使 用時，若將壓電元件90的厚度方向中央作為伸縮相反面，則不能使位移最大。這是因為整 個膜片的中立面Fd相對於壓電元件的厚度方向中央Fp，是偏向膜片80側。為解決該問題， 如圖19(b)所示，將壓電元件的伸縮相反面Fp形成在從厚度方向中央偏向膜片側的位置， 使整個膜片的中立面Fd和壓電元件的伸縮相反面Fp —致。作為使整個膜片的中立面Fd和壓電元件90的伸縮相反面Fp —致的方法，圖20 表示將壓電元件90的伸縮相反面Fp置於其間、而改變其一側和另一側的層疊數量的方法。 這個例子中的壓電元件90是將電極91b 9Id置於其間，層疊多層的壓電體層90a 90d， 在表面、背面形成電極91a、91e。在壓電元件90的下表面粘結膜片80。圖20 (a)表示極化 時的施加電壓，例如對電極9la、9Ic施加負的直流電壓，對電極9Ie施加正的直流電壓，使 電極91b、91d為接地電位，通過這樣可以得到箭頭方向的極化P。圖20(b)表示驅動時的施 加電壓。如(b)所示，若將交流電源98的一端側連接於電極91a、91c、91e，將另一端側連接 於電極91b、91d，則上側的三層90a 90c和下側的一層90d向相反方向伸縮。此時，從下數的第二電極面91d的位置成為伸縮相反面Fp。另外，壓電元件90的壓電體層的層疊數可 以任意選擇。圖21表示將壓電元件92的伸縮相反面Fp置於其間、而改變其一側和另一側的壓 電體層的厚度的方法。這個例子中的壓電元件92是將電極9 置於其間，層疊厚度不同的 兩層壓電體層92a、92b，在表面、背面形成電極93a、93c。圖21 (a)表示極化時的施加電壓， (b)表示驅動時的施加電壓。使上側的壓電體層92a比下側的壓電體層92b要厚，根據厚度 改變極化時的施加電壓。為了在驅動時使背面電極93c的電位比表面電極93a要低，需要 連接電阻等降低電壓單元99。將層間的電極面9 作為伸縮相反面Fp。另外，圖21所示 的極化時及驅動時的施加電壓只是一個例子，可以任意設定。圖22表示通過改變對壓電元件94的兩側的壓電體層施加的驅動電場的強度、而 使整個膜片的中立面和壓電元件的伸縮相反面一致的方法。壓電元件94將電極9 置於 其間，層疊同一厚度的兩層壓電體層94a、94b，在表面、背面形成電極95a、95c。圖22 (a)表 示極化時的施加電壓，(b)表示驅動時的施加電壓。如圖22(b)所示，使用降低電壓單元 99，使上側的壓電體層9 的電場強度比下側的壓電體層94b要高。此時，上側的壓電體層 94a的伸縮應力比下側的壓電體層94b的伸縮應力要大，壓電元件單體的中立面形成在從 伸縮相反面Fp偏向與膜片80相反側的位置，但可以使整個膜片的中立面和伸縮相反面Fp 一致。驅動時上側壓電體層94a的電場強度和下側壓電體層94b的電場強度的比率，可以 根據膜片80的楊氏模量或厚度任意設定。另外，此時層疊多個壓電層時，也可以將伸縮相 反面Fp置於其間，改變其兩側的壓電體層的層厚。圖23表示通過改變壓電元件96的兩側的壓電體層的極化度P、而使整個膜片的中 立面和壓電元件的伸縮相反面一致的方法。壓電元件96是將電極97b置於其間，層疊同一 厚度的兩層壓電體層96a、96b，在表面、背面形成電極97a、97c。圖23 (a)表示極化時的施 加電壓，使上側的壓電體層96a的極化度Pl比下側的壓電體層96b的極化度P2要高。在 驅動時，如圖23(b)所示，由於只需對上下的壓電體層96a、96b施加相同的電場即可，因此 不需要降低電壓單元99。此時，上側的壓電體層96a的伸縮應力比下側的壓電體層96b的 伸縮應力要大，壓電元件單體的中立面形成於從伸縮相反面偏向與膜片80相反側的位置， 但可以使整個膜片的中立面與伸縮相反面Fp—致。在層疊多個壓電層時，也可以將伸縮相 反面Fp置於其間，改變其兩側的壓電體層的層厚。如上所述，使整個膜片的中立面Fd和壓電元件90的伸縮相反面Fp —致的效果， 在膜片的剛性越高、厚度越厚時越顯著。為了不妨礙壓電元件的動作，需要選擇儘可能柔軟 且較薄的材質作為膜片的材質，但例如希望提高泵的產生壓力時，或希望提高驅動頻率時 等情況下，則反之，選擇剛性較高的材質作為膜片更為合適。在這時，使上述的整個膜片的 中立面與壓電元件的伸縮相反面一致可以帶來非常好的效果。下面表示改變壓電元件的壓電體的伸長側和收縮側的厚度、進行模擬的結果。相 對於壓電體整體的厚度，將伸縮相反面位置規定如下。伸縮相反面位置]=上層厚度dl/整體厚度DS卩，50%表示伸縮相反面正好在雙壓電晶片壓電元件的中央，隨著該數值從50% 變大而上層厚度增加，在100%時成為只有上層(無下層)的狀態。圖M表示在整體厚度D = 0. 30mm的雙壓電晶片壓電元件單體中以上層和下層都為0. 15mm的狀態為基準、使上層厚度dl逐漸增加時的位移的變化率。50%是上層、下層的 厚度都為0. 15mm，無厚度差，100%是只有上層，其厚度為0. 30mm的狀態。可知位移隨著上 層厚度dl增加而減少。圖25表示將整體厚度D = O. 30mm的雙壓電晶片壓電元件與厚度0. Imm的玻璃環 氧板接合、使上層厚度dl逐漸增加時的位移的變化率。可知相對於整體厚度D，上層厚度 dl位於52. 5%附近時，位移的變化率為100. 61%，達到最大，儘管只增加一點，但位移增加 了。圖26表示將整體厚度D = O. 30mm的雙壓電晶片壓電元件與厚度0. Imm的SUS (不 鏽鋼)板接合、使上層厚度dl逐漸增加時的位移的變化率。此時，在使上層厚度dl相對於 整體厚度D為75%的條件下，位移最大。與將上下層作為相同厚度的50%的情況比較，通 過使伸縮相反面一致，位移的變化率成為129. 18%，可以得到增加30%的大幅位移。另外， 同時還可以防止發熱。本發明不限於上述實施例，可以進行各種變更。在第四實施方式中，是將使整個膜 片的中立面與壓電元件的伸縮相反面一致的結構、適用於將一般的雙壓電晶片型壓電元件 與膜片接合的例子，但也可以適用於第一 第三實施方式所示的將中心範圍和周邊範圍的 位移方向相反的壓電元件與膜片接合的例子。另外，由於本發明的壓電泵是小型、薄型的壓電泵，因此可以用作為向可攜式設備 等的燃料電池提供燃料、或冷卻水的循環等所使用的壓電泵，但不限於這些用途。
權利要求
1.一種壓電泵，包括具有泵室的泵本體；以及為了關閉所述泵室而被保持在泵本體 上的、通過施加電壓而彎曲位移使泵室的容積產生變化的壓電元件，該壓電泵的特徵在於，所述壓電元件是層疊多個壓電體層的雙壓電晶片型壓電元件，在所述壓電元件的泵室側的側面，面對面地粘結將所述泵室和壓電元件隔離的膜片，使所述壓電元件單體的伸縮相反面、與將所述壓電元件與膜片粘結的狀態下的中立面 一致。
2.如權利要求1所述的壓電泵，其特徵在於，將所述伸縮相反面置於其間，使所述壓電 元件的膜片側的相反側的厚度比膜片側的厚度要厚。
3.如權利要求1所述的壓電泵，其特徵在於，將所述伸縮相反面置於其間，使所述壓電 元件的膜片側的相反側的壓電體層的層疊數量比膜片側的壓電體層的層疊數量要多。
4.如權利要求1所述的壓電泵，其特徵在於，將所述伸縮相反面置於其間，使得對所述 壓電元件的膜片側的相反側的壓電體層施加的驅動電壓的電場強度比對膜片側的壓電體 層施加的驅動電壓的電場強度要高。
5.如權利要求1所述的壓電泵，其特徵在於，將所述伸縮相反面置於其間，使得所述壓 電元件的膜片側的相反側的壓電體層的極化度比膜片側的壓電體層的極化度要高。
全文摘要
本發明提供即使以較低的驅動電壓也能在壓電元件的中央部得到較大位移量、並且可以防止由於遷移而導致產生短路的壓電泵。壓電泵的泵本體(1)中形成的泵室(2)被壓電元件(21)關閉，通過對壓電元件施加電壓，使其中心範圍和周邊範圍向相反方向彎曲位移，使泵室(2)的容積產生變化。壓電元件(21)是將電極置於其間、層疊多個壓電體層而成，並形成電極，使得各壓電體層內的中心範圍和周邊範圍在厚度方向被極化為互相相反的方向，對各壓電體層內的中心範圍和周邊範圍施加在厚度方向為同一方向的電壓。由於對形成於壓電體層的同一面上的電極施加同一電位的電壓，因此可以防止由於遷移而導致產生短路。
文檔編號F04B43/04GK102094796SQ20101057391
公開日2011年6月15日 申請日期2007年7月9日 優先權日2006年7月11日
發明者平田篤彥, 神谷嶽, 金井俊吾 申請人:株式會社村田製作所