JP2009097367A - 圧電ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】導電性金属薄板からなるシムと、このシムの表裏の少なくとも一方の面上に形成した圧電体層とを有する平面円形の圧電振動子；この圧電振動子の圧電体層を有する面にＯリングを接触させて形成されたポンプ室；及び上記圧電振動子に対して給電するドライバ回路基板；を有し、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、圧電振動子に対する配線構造がポンプ室の液密性に悪影響を与えず、配線部の耐久性を確保し、圧電体の変位を妨げることのない圧電ポンプを得る。
【解決手段】圧電振動子とドライバ回路基板とが、ＦＰＣ基板を介して接続されており、該ＦＰＣ基板が、ポンプ室側の圧電体層のシムと反対側の面に導通しかつ平面的に見てＯリングとその全周に沿って少なくとも一部が重なる環状電極を有する圧電ポンプ。
【選択図】図１

Description

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に関する。

圧電ポンプは、周縁を液密に保持した平面円形の圧電振動子の表裏の少なくとも一方に、Ｏリングを介してポンプ室を形成し、該圧電振動子を振動させることでポンプ作用を得ている。本出願人は、このような圧電ポンプをノート型ＰＣの水冷システム等に用いることを検討中である。
特開2006-105027号公報 特開2006-144761号公報 特開2006-253350号公報

圧電振動子は、導電性金属薄板からなるシムの表裏の一面に圧電体層を形成したユニモルフ型と両面に圧電体層を形成したバイモルフ型が知られている。いずれのタイプの圧電振動子を用いるにしても、圧電体層を有する面にＯリングを接触させてポンプ室を形成する場合、圧電体層に対する給電構造が問題となる。すなわち、シムに対する配線は、シムから径方向に配線突起を突出させることで容易に配線ができるが、圧電体層に対する配線ラインは、Ｏリングを跨ぐ（Ｏリングと交差する）こととなるため、配線ラインを如何に薄く形成しても、Ｏリングには配線ラインとの交差部分に微小な凹凸が生じ、この微小な凹凸が長期的に見ると、ポンプ室の液密性を低下させる原因となる。

また圧電素子は振動子であり、圧電素子の電極である薄い電極層と配線端子をつなぐ部分での電気的接続の信頼性を確保することが長寿命化の上で課題となる。常に振動する振動子である圧電素子との接続は、接続部での電気的断線や接触抵抗の変化を極力回避する構造が求められる。また、液密性や電気的接続の課題を解決するだけでなく、圧電素子の振動方向の変位量を妨げることなく、ポンプの流量を十分確保することも求められる。流量の確保は省電力化および小型化する上でも重要な課題である。

本発明は、以上の問題意識に基づき、圧電振動子の圧電体層を有する面にＯリングを接触させてポンプ室を形成するタイプの圧電ポンプにおいて、圧電振動子に対する配線構造がポンプ室の液密性に悪影響を与えず、配線部の耐久性（電気的接続の信頼性）を確保し、圧電体の変位を妨げることのない圧電ポンプを得ることを目的としている。

本発明は、圧電振動子とドライバ回路基板とをＦＰＣ基板を介して接続するとき、ＦＰＣ基板にＯリングと同一径の環状電極を形成してこの環状電極を介してポンプ室側圧電体層に給電すれば、Ｏリングと配線ラインが交差することがなくＯリングに微小な凹凸は生じないとの着眼に至って本発明を完成したものである。

すなわち、本発明は、導電性金属薄板からなるシムと、このシムの表裏の少なくとも一方の面上に形成した圧電体層とを有する平面円形の圧電振動子；この圧電振動子の圧電体層を有する面にＯリングを接触させて形成されたポンプ室；及び上記圧電振動子に対して給電するドライバ回路基板；を有し、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、圧電振動子とドライバ回路基板とは、ＦＰＣ基板を介して接続されていること；及びＦＰＣ基板は、少なくとも圧電素子のポンプ室側の圧電体層に接続され、シムと反対側の面に導通させ、かつ平面的に見てＯリングとその全周に沿って少なくとも一部が重なる環状電極を有すること；を特徴としている。
ここで圧電素子の圧電体層の両面には、電極層として例えばスクリーン印刷等で成膜された薄い電極層を全面もしくは同心円状に形成することができる。上記環状電極は、この圧電素子上の薄い電極層に給電するための電極である。

ＦＰＣ基板は、圧電振動子のポンプ室側圧電体層の全面に重なる円形の樹脂被覆を有する形状とすることができる。この円形樹脂被覆では、その周縁に環状電極を位置させる。

あるいは、ＦＰＣ基板には、圧電振動子のポンプ室側圧電体層の周縁のみに重なる環状（穴あきの）樹脂被覆を有する形状とすることができる。この環状樹脂被覆では、その環状部内に環状電極を位置させる。

圧電振動子上には、ＦＰＣ基板を含んで圧電体層を覆う保護フィルムをさらに積層接着することができる。特に環状樹脂被膜構造の場合、圧電体上の電極層を防湿するため、保護フィルムが必要となり、またＦＰＣがポンプ室側全面を樹脂被覆する場合においても、保護フィルムを有するほうが好ましい。

圧電振動子は、圧電体層がシムのポンプ室側の面のみに配置されたユニモルフ型、あるいは圧電体層がシムの両面に配置されたバイモルフ型のいずれも用いることができるが、ユニモルフ型では圧電体層はポンプ室側に位置する。ユニモルフ型の場合は、ポンプ室が圧電体層で、空気室側に金属薄板であるシムを配置するほうが、シムが保護層（保護シム）として機能するため好ましい。保護シムは、ポンプ室の内圧が高くなった場合、応力の集中する空気室側に金属薄板としてのシムを配置することにより、空気室側の圧電体層に過大な応力が加わることを保護するものである。

また、バイモルフ型では、ＦＰＣ基板には、シムの両面の圧電体層の該シムとは反対側の面にそれぞれ導通し、Ｏリングと平面的に見て重なる一対の環状電極を設ける。バイモルフ型において、圧電体層がメインシムの両面に配置され、ポンプ室の反対側の空気室側に保護シムが配置され、ＦＰＣ基板は保護シムとポンプ室側の圧電体素子面にそれぞれ導通し、ポンプ室側に環状電極を配置する構造が好ましい。保護シムのないバイモルフ型の圧電振動子の場合、空気室側の電極は、応力による空気室側の保護膜として円形電極としてもよい。この場合、円形電極としたことにより、保護シムと同様に空気室側の圧電素子に過大な応力が加わることを保護する機能がある。

環状電極は、ＦＰＣ基板の導体部として、常法に従い銅箔等から構成することができる。環状電極の導体の電極としての接触面をＡｕめっき等とすることにより、銅の腐食を防止するだけでなく、圧電素子上の薄い電極層と環状電極との電気的接触を良好な状態に保てるため、より好ましい。

本発明によれば、圧電振動子とドライバ回路基板とをＦＰＣ基板を介して接続するとき、ＦＰＣ基板にＯリングと同一径の環状電極を形成してこの環状電極を介してポンプ室側圧電体層に給電するので、Ｏリングと配線ラインが交差することでＯリングに微小な凹凸が生じない、圧電振動子に対する配線構造がポンプ室の液密性に悪影響を与えず、振動子である圧電素子の電極である薄い電極層と配線端子をつなぐ部分での電気的接続の信頼性を確保することができ、少なくともポンプ室側を環状電極とすることで、圧電素子の振動方向の変位量を妨げることのない圧電ポンプを得ることができる。

図１ないし図４は、本発明による圧電ポンプの一実施形態を示している。この圧電ポンプ２０は、図１、図２に示すように、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。

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、Ｏリング２７と環状挟着部材（ガイド）２８を介して圧電振動子１０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（空気室）Ａが形成される。大気室Ａは、開放しても密閉してもよい。

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。

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。

以上の圧電ポンプ２０は、ドライバ回路基板２６を介して圧電振動子１０に交番電界を与えると、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）し、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。

本実施形態は、以上の基本構成を有する圧電ポンプにおいて、ドライバ回路基板２６から圧電振動子１０に対する給電構造を要旨としている。本実施形態の圧電振動子１０は、円形のシム１１と、シム１１の表裏面の一方に形成した円形の積層圧電体（圧電体層）１２とを有するユニモルフ型である。積層圧電体１２は、ポンプ室Ｐ側に位置している。

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。このシム１１は、周縁部に配線接続用の配線突起１１ａを有している。積層圧電体１２は、例えば厚さ５０〜６００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）等の圧電材料から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。積層圧電体１２は圧電材料の表面に１〜１０μｍ程度のＡｕもしくはＡｇ等の薄い金属膜（図示しない）が積層されている。薄い金属膜は、圧電材料に電圧を印加する電極であり、例えば圧電体がＰＺＴ等のセラミックスの場合には、スクリーン印刷等で薄い金属膜を成膜する。このような圧電振動子は周知である。積層圧電体１２の表裏に交番電界が与えられると、積層圧電体１２が伸びて縮むサイクルが繰り返され、シム１１（圧電振動子１０）が偏心して中央部の振幅が最も大きくなるように振動する。

この圧電振動子１０の積層圧電体１２の表裏（シム１１の配線突起１１ａと積層圧電体１２のシム１１とは反対側の面）には、ドライバ回路基板２６及びＦＰＣ（FREXIBLE PRINTED CIRCUITS）基板４０を介して給電される。ＦＰＣ基板４０は、図１、図３に示すように、樹脂被覆（一般的にポリイミド樹脂）４１中に、所定形状の銅箔４２を埋入した周知のプリント基板である。この実施形態のＦＰＣ基板４０の被覆樹脂４１は、ドライバ回路基板２６上に延びる接続被覆４１ａと、この接続被覆４１ａから分岐したシム用被覆４１ｂと、円形樹脂被覆４１ｃとを有している。円形樹脂被覆４１ｃは、圧電振動子１０の積層圧電体１２上に全面的に重ねられて接着される。

これらの接続被覆４１ａ、シム用被覆４１ｂ及び円形樹脂被覆４１ｃ中に埋入された銅箔４２は、一対の給電ライン４２ａ、４２ｂを有しており、給電ライン４２ａは、接続被覆４１ａからシム用被覆４１ｂを経て、配線突起１１ａに接続される。給電ライン４２ａは、シム用被覆４１ｂの先端部において、配線突起１１ａに半田付けされる露出部４２ａ'（図３）となっている。これに対し、給電ライン４２ｂは、接続被覆４１ａから円形樹脂被覆４１ｃに至り、円形樹脂被覆４１ｃの周縁に配置された環状電極４２ｃに導通している。環状電極４２ｃは、積層圧電体１２の周縁に全面的に導通する。図１、図３では、環状電極４２ｃにハッチングを付した。

環状電極４２ｃの径は、Ｏリング２７の径と実質的に同一径であり、両者は平面的に見て交差することがない。勿論、環状電極４２ｃとＯリング２７は、完全に同一径である必要はなく、環状電極４２ｃとＯリング２７の少なくとも一部がその全周に沿って重なる関係、あるいはＯリング２７が環状電極４２ｃを全周に渡って押圧できるように形成されている関係であればよい。従ってＯリング２７と環状電極４２ｃが重なったとき、Ｏリング２７は一平面内に位置し、微小な凹凸が生じることはない。なお、以上の実施形態では、シム１１に配線突起１１ａを設けたが、配線突起１１ａを設けることなく、シム１１の表面に直接ＦＰＣ基板４０の給電ラインの露出部４２ａ'を接続してもよい。

図４は、以上の圧電振動子１０、環状電極４２ｃ及びＯリング２７のみを取り出して描いた模式断面図である。ＦＰＣ基板４０上には、同図に鎖線で示すように、樹脂製保護フィルム（例えばＰＰＳ樹脂フィルム）４３を積層接着することができる。

上記構成の本圧電ポンプによると、ＦＰＣ基板４０を介してドライバ回路基板２６からシム１１と積層圧電体１２のポンプ室Ｐ側の面（積層圧電体１２の表裏）に交番電界を与えることができる。そして、環状電極４２ｃは、Ｏリング２７の全周に沿って重なっているため、Ｏリング２７に液密性の保持に有害な微小な凹凸が生じる可能性がない。この効果は、積層圧電体１２に対する配線がＯリング２７を交差していた従来品と比較すると明らかである。またＦＰＣ基板上の環状電極４２ｃと積層圧電体１２の表面電極である薄い電極層とが直接的な電気的接続となり、さらにＦＰＣ基板の給電ライン４２により、圧電体１２が直接ドライバ回路基板２６に接続されているため、振動による接続部分での端子の劣化の問題が回避される。

すなわち、本実施形態により、常に振動する振動子である圧電素子との接続部での電気的断線や接触抵抗の変化を極力回避する構造となり、信頼性確保が可能となり、ポンプを長寿命化する効果が得られる。環状電極４２ｃの導体の電極としての接触面をＡｕめっき等とすることにより、銅の腐食を防止するだけでなく、圧電素子上の薄い電極層と環状電極との電気的接触を良好な状態に保てるため、より好ましい。またポンプ室側を環状電極とすることにより、圧電素子の振動方向の変位量を妨げることなく、ポンプの流量を十分確保することができる。

図５、図６は、本発明をバイモルフ型の圧電振動子１０Ｂに適用した実施形態である。バイモルフ型圧電振動子１０Ｂは、周知のように、シム１１の両面に積層圧電体１２を積層した構造を有する。この実施形態は、バイモルフ型圧電振動子１０Ｂの表裏の積層圧電体１２に対して給電するために、図５に平面（展開）形状を示すＦＰＣ基板４０を用いている。このＦＰＣ基板４０は、圧電振動子１０Ｂの表裏に位置する一対の円形樹脂被覆４１ｃを接続部円形樹脂被覆４１ｃｂで接続し、円形樹脂被覆４１ｃの周縁にそれぞれ配置した環状電極４２ｃを、円形樹脂被覆４１ｃｂ内に配置した接続銅箔４２ｃｂで接続している。この他の構成は実質的に第１の実施形態と同様であり、同一の要素には同一の符号を付している。

以上の実施形態では、ＦＰＣ基板４０の円形樹脂被覆４１ｃが積層圧電体１２の全面を覆う円形被覆であるが、図１、図５に鎖線４１ｄで示すように、円形被覆４１ｃの中央に穴を空けて環状樹脂被覆としてもよい。ただし、特に環状樹脂被膜構造の場合、圧電体上の電極層を防湿するため、樹脂性保護フィルム４３が必要となる。また円形樹脂被覆４１ｃが積層圧電体１２の全面を覆う場合においても、樹脂製の保護フィルム４３を用いると、薄い樹脂膜で耐湿性を確保できるため、ＦＰＣの保護被膜４１のみの場合よりも薄くでき、圧電振動子の変位を妨げないため好ましい。

図７の実施形態では、バイモルフ型において、圧電体層がメインシム１１ｂの両面に配置され、ポンプ室の反対側の空気室側に保護シム１１ｃが配置され、ＦＰＣ基板は保護シム１１ｃとポンプ室側の圧電体素子面にそれぞれ導通し、ポンプ室側に環状電極を配置する構造が好ましい。保護シムは１１ｃ、ポンプ室の内圧が高くなった場合、応力の集中する空気室側に金属薄板としての保護シム１１ｃを配置することにより、空気室側の圧電体層に過大な応力が加わることを保護するものである。図７では４１ｄの部分を空けて環状被覆とした実施形態としている。保護シムのシム用被覆４１ｂおよび給電ライン４２ａはユニモルフ型の実施例である図３のように、シムの突起部１１ａを有した構造でもよいが、図７のように環状電極がより好ましい。これは圧電振動子１０ａにはんだ付け等の接続が不要となるため、電気的接続の信頼性を確保できる。

また、図８に示すように、保護シムのないバイモルフ型の圧電振動子の場合、空気室側の環状電極４２ｃは、応力による空気室側の保護膜として円形電極と置き換えてもよい。この場合、円形電極としたことにより、保護シムと同様に空気室側の圧電素子に過大な応力が加わることを保護する効果がある。

なお、圧電振動子１０の積層圧電体１２は、単層であるものの他、複数層を直列接続あるいは並列接続したものが知られている。また、複数層の圧電体の間に中間シムを挟む構造も、本出願人により、特願2007-35879号で提案されている。本発明は、これらの積層圧電体１２の構造を問わずに適用できる。

本発明による圧電ポンプの第１の実施形態を示す分解斜視図である。 同圧電ポンプの断面図である。 同圧電ポンプの圧電振動子に対するＦＰＣ基板配線構造部分の要部を拡大して示す分解斜視図である。 第１の実施形態の圧電振動子、Ｏリング及びＦＰＣ基板の環状電極の関係を示す模式断面図である。 圧電振動子に対するＦＰＣ基板配線構造の第２の実施形態を示す、ＦＰＣ基板の平面図である。 第２の実施形態の圧電振動子、Ｏリング及びＦＰＣ基板の環状電極の関係を示す模式断面図である。 圧電振動子、Ｏリング及びＦＰＣ基板の環状電極の他の実施形態を示す模式断面図である。 圧電振動子、Ｏリング及びＦＰＣ基板の環状電極のさらに他の実施形態を示す模式断面図である。

符号の説明

１０ 圧電振動子
１１ シム
１１ａ 配線突起
１２ 積層圧電体（圧電体層）
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
２８ 環状狭着部材
３０ 吸入流路
３１ 吐出流路
３２、３３ 逆止弁
４０ ＦＰＣ基板
４１ 被覆樹脂
４１ａ 接続被覆
４１ｂ シム用被覆
４１ｃ 円形樹脂被覆
４１ｄ 環状樹脂被膜
４２ 銅箔
４２ａ ４２ｂ 給電ライン
４２ｃ 環状電極
４３ 樹脂製保護フィルム
Ａ 大気室（空気室）
Ｐ ポンプ室

Claims (9)

1. 導電性金属薄板からなるシムと、このシムの表裏の少なくとも一方の面上に形成した圧電体層とを有する平面円形の圧電振動子；この圧電振動子の圧電体層を有する面にＯリングを接触させて形成されたポンプ室；及び上記圧電振動子に対して給電するドライバ回路基板；を有し、上記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、
   上記圧電振動子とドライバ回路基板とは、ＦＰＣ基板を介して接続されていること；及び
   上記ＦＰＣ基板は、少なくとも上記圧電素子のポンプ室側の圧電体層に接続され、シムと反対側の面に導通させ、かつ平面的に見て上記Ｏリングとその全周に沿って少なくとも一部が重なる環状電極を有すること；
   を特徴とする圧電ポンプ。
2. 請求項１記載の圧電ポンプにおいて、ＦＰＣ基板は、圧電振動子のポンプ室側圧電体層の全面に重なる円形の樹脂被覆を有し、この円形樹脂被覆の周縁に上記環状電極が位置している圧電ポンプ。
3. 請求項１記載の圧電ポンプにおいて、ＦＰＣ基板は、圧電振動子のポンプ室側圧電体層の周縁のみに重なる環状樹脂被覆を有し、この環状樹脂被覆内に上記環状電極が位置し、上記圧電振動子上には、ＦＰＣ基板を含んで上記圧電体層を覆う保護フィルムが接着されている圧電ポンプ。
4. 請求項２記載の圧電ポンプにおいて、上記圧電振動子上には、ＦＰＣ基板を含んで上記圧電体層を覆う保護フィルムが接着されている圧電ポンプ。
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、上記圧電振動子は、圧電体層がシムのポンプ室側の面のみに配置されたユニモルフ型である圧電ポンプ。
6. 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、上記圧電振動子は、圧電体層がシムの両面に配置されたバイモルフ型であり、ＦＰＣ基板には、シムの両面の圧電体層の該シムとは反対側の面にそれぞれ導通する上記環状電極が備えられている圧電ポンプ。
7. 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、上記圧電振動子は、圧電体層がメインシムの両面に配置されたバイモルフ型であり、ポンプ室の反対側の空気室側に保護シムが配置され、ＦＰＣ基板は、保護シムとポンプ室側の面にそれぞれ導通し、ポンプ室側に上記環状電極が備えられている圧電ポンプ。
8. 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、上記圧電振動子は、圧電体層がシムの両面に配置されたバイモルフ型であり、ＦＰＣ基板には、シムの両面の圧電体層の該シムとは反対側の面にそれぞれ導通し、ポンプ室側は環状電極が備えられていおり、空気室側は保護層を兼ねた円形電極を備えた圧電ポンプ。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、上記ＦＰＣ基板の電極が、ＣｕもしくはＮｉの金属箔であり、電極の接続面にＡｕめっき処理がなされている圧電ポンプ。

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