特開 2023-73156 表面実装可能な薄型圧電ブロアデバイスナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023073156

(43)【公開日】2023-05-25

(54)【発明の名称】表面実装可能な薄型圧電ブロアデバイスナ

(51)【国際特許分類】

   F04B 45/04 20060101AFI20230518BHJP

   F04B 45/047 20060101ALI20230518BHJP

   F04B 43/02 20060101ALI20230518BHJP

   F04B 43/04 20060101ALI20230518BHJP

   B23K 20/00 20060101ALI20230518BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20230518BHJP

【ＦＩ】

F04B45/04 D

F04B45/047 C

F04B43/02 D

F04B43/04 B

B23K20/00 310L

B81B3/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021186020

(22)【出願日】2021-11-15

(71)【出願人】

【識別番号】721010814

【氏名又は名称】椛澤 康成

(72)【発明者】

【氏名】椛澤 康成

【テーマコード（参考）】

3C081

3H077

4E167

【Ｆターム（参考）】

3C081AA11

3C081AA13

3C081BA03

3C081BA22

3C081BA23

3C081BA25

3C081BA45

3C081BA48

3C081BA55

3C081CA13

3C081CA32

3C081DA03

3C081DA11

3C081EA03

3C081EA05

3C081EA31

3C081EA39

3H077AA12

3H077BB10

3H077CC02

3H077CC09

3H077DD06

3H077EE36

3H077FF12

3H077FF36

4E167AA03

4E167DA02

4E167DA07

(57)【要約】

【課題】携帯端末に代表される小型・薄型の機器に内蔵して高圧で大流量のエアを扱いたいアプリケーションは多く存在するが、適用可能な圧電ブロアデバイスが今までなかった。
【解決手段】小型化して駆動周波数が高くなった時に、一方向弁の揺動が追従するよう、変位揺動するダイヤフラム内の中心に一方向弁機能を設け、圧電素子中心部に穿った穴から流体を整流するようにした。また、強度の高い金属材料を積層接合することによってキャビティ及びブロア筐体を構成した。また、予め携帯端末に実装することを想定した電気接続や流路接続の形態を構成した。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電素子の振動によって反復可動する厚さ１００μｍ以下で且つ３層で金属箔にて積層接合されたダイヤフラムの中心内部に、厚さ１０μｍ以下のフラップ弁とフラップ弁の上に弁揺動空間を設け、ダイヤフラムの反復可動でフラップ弁を強制的に揺動させ流体の流れを整流し、ダイヤフラムの直下に形成された円形キャビティの中心とダイヤフラム内に内蔵したフラップ弁の可動中心と圧電素子の中心部に穿たれた穴を一致させ、圧電素子の中心部に穿たれた穴を通して一方向に外部に流体を送出するように構成した圧電ブロアであって、ダイヤフラム表面に絶縁層及び導電層を形成して圧電素子を駆動するための電気的接続用ランドを付設し、また同時にダイヤフラム表面に流体導入口を設けた構成であることを特徴とする薄型圧電ブロアデバイス。

【請求項2】

請求項1に示す薄型圧電ブロアデバイスで、フラップ弁を内蔵する厚さ１００μm以下の積層ダイヤフラムは、複数（３層）の金属箔を積層し、金属拡散接合法によって一体的に製造することを特徴とする構成。

【請求項3】

請求項1及び請求項２に示す薄型圧電ブロアデバイスで、ブロア本体を構成する円形キャビティ及び流体導入流路も同様に金属箔を積層し、金属拡散接合法によって一体的に製造することを特徴とする構成。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、携帯端末に代表される小型電子機器等、に内蔵するのに好適な薄型の圧電ブロアデバイスの構造に関する。

【背景技術】

【0002】

圧電素子をアクチュエータとして高周波領域の駆動周波数でダイヤフラムを稼働させ、気体を送出する圧電ブロアデバイス、特に小型化を想定して考案された構成は、古くから数多く出願され、以下のような構成例がある。 (特許文献1、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５)

【0003】

特許文献１では、ポンプ本体と、駆動手段によって変位する変位器と、この変位器と上記ポンプ本体との間に形成されるポンプ室とを備え、上記ポンプ室は逆止弁を有しない第１開口部と第２開口部とを介して入口と出口とに流体的に連結され、上記変位器はポンプ本体に固定されたプレート状またはダイヤフラム状の部材で構成され、上記ポンプ本体にはポンプ室を構成する凹部が設けられ、上記ポンプ室と境界を接する弾性バッファが設けられ、上記駆動手段の作動力は変位器の上記第１開口部と対向する部分に作用するものであり、上記変位器はその第１終端位置において第１開口部を閉じ、かつ第２終端位置において第１開口部を開放状態とし、上記駆動手段は上記変位器を動作させることにより、上記変位器の動きに基づいて上記バッファの変形を引き起こし、バッファの変形により第２開口部を介して流体を排出または流入させる、逆止弁を有しない、流体ポンプの事例が示されている。

【0004】

しかしながら、特許文献１に示される構成においては、変位器の動作によって変化するポンプ容積>>バッファ内容積という関係が成り立たないと大きな差圧が発生しないため、気体のような圧縮性流体を扱う場合はバッファの変形を引き起こすのには非常に小さいバッファ容積に限定しなければならない。したがって排出される流体量は小さく、またバッファの復元力による流体排出であるので、出口側の背圧も小さいという問題があった。

【0005】

特許文献２では、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプで、前記出口流路は、ポンプ動作時に前記ポンプ室と連通し、前記入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さく、前記入口流路は、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記駆動手段は、前記可動壁の運動周期を変更する周期制御手段を備え、当該周期制御手段は、前記ホンプ室の圧力が絶対０ 気圧に達したときに、前記可動壁のポンプ室容積圧縮工程が開始するように前記アクチュエータを駆動する、流体ポンプの事例が示されている。

【0006】

しかしながら、特許文献２に示される構成では、ピストンあるいはダイヤフラムを稼働させるアクチュエータとして、上下方向に伸縮する圧電素子を想定しており、一般的に圧電素子の上下方向の伸縮は非常に小さいため、大きな変位を得るには積層型の圧電素子を使用することが必須となり、ポンプの高さが大きくなって薄型の携帯端末には実装することは困難であるという問題があった。

【0007】

特許文献３では、ダイヤフラムとの間でブロア室を形成するブロア本体の第１壁部と、前記ダイヤフラムの中心部と対向する前記第１壁部の部位に形成され、ブロア室の内部と外部とを連通させる第１開口部と、前記第１壁部を間にしてブロア室と反対側に、第１壁部と間隔をあけて設けられた第２壁部と、前記第１開口部と対向する前記第２壁部の部位に形成された第２開口部と、前記第１壁部と第２壁部との間に形成され、外側端部が外部に連通され、内側端部が第１開口部及び第２開口部に接続された流入通路とを備え、前記第１開口部及び第２開口部と接続された流入通路の内側端部に、前記第１開口部及び第２開口部より大きな開口面積を有する中央空間が形成されており、前記ダイヤフラムの変位に伴い、前記第１壁部の前記中央空間と対向する部分が振動する、圧電マイクロブロアの事例が示されている。

【0008】

しかしながら、特許文献３に示される構成では慣性力により圧縮性流体を送出できるものの、逆止弁は存在していないため外圧に対する流量変動が大きく、本デバイスが搭載されたアプリケーションでは製品機能が極端に限定されるという問題があった。圧電ブロアデバイスとして小型化されても、圧縮性流体を大流量で且つ高圧で送出できる構成であることが望ましい。

【0009】

特許文献４では、第１振動板と、前記第１振動板に対向する第２振動板と、前記第１振動板の周縁部および前記第２振動板の周縁部を接続する周壁部と、前記第１振動板および前記第２振動板の間に位置し、前記第１振動板、前記第２振動板および前記周壁部によって規定されたポンプ室と、前記第１振動板および前記第２振動板を屈曲振動させることにより、前記ポンプ室に圧力変動を生じさせる駆動体とを備え、前記第１振動板には、前記第１振動板の中央部および前記第２ 振動板の中央部に直交する軸線の延在方向に沿って見た場合に当該軸線に重なる位置に配置されるとともに、逆止弁が付設されていない第１孔部が設けられ、前記第１振動板および前記第２振動板の少なくとも一方には、前記軸線の延在方向に沿って見た場合に前記第１孔部に重ならない位置に配置されるとともに、逆止弁が付設された第２ 孔部が設けられ、前記第１ 振動板および前記第２ 振動板の少なくとも一方には、前記軸線を中心としつつ当該軸線の延在方向に沿って見た場合に前記第２孔部が設けられた領域よりも外側の領域に配置されるとともに、逆止弁が付設されていない第３孔部がさらに設けられている、流体ポンプの事例が示されている

【0010】

特許文献４に示される事例は、従来例に比して流量の増大を図ることができる構造として提案されているが、この事例に関しても高い吐出圧が得られる原理構造は記述されておらず、非圧縮性流体を大流量で且つ高圧で送出することが必要なアプリケーションを前提とした薄型の携帯端末へ搭載することができないという問題があった。

【0011】

特許文献５では、 流体を収容するためのキャビティを画定する実質的に円筒状の形状を有し、前記キャビティが両端において実質的に円形の端壁により閉じられた側壁により形成され、前記端壁のうちの少なくとも一方は駆動される端壁であり、前記駆動される端壁が中央部と、該駆動される端壁の中央部から半径方向外側に向かって延びる周縁部とを有するポンプ本体と、 前記駆動される端壁の前記中央部に動作的に関連されて、該駆動される端壁の振動運動を生じさせ、これにより、使用時において前記駆動される端壁の該端壁に実質的に垂直な方向の変位振動を、前記駆動される端壁の中心と前記側壁との間に環状のノードを伴って発生させるアクチュエータと、 前記駆動される端壁の前記周縁部と動作的に関連されて、前記変位振動の減衰を減少させるアイソレータと、 前記キャビティにおける前記環状のノードの位置以外の何れかの位置に配設されると共に、前記ポンプ本体を経て延在する第１ 開口と、 前記ポンプ本体における前記第１ 開口の位置以外の何れかの位置に配設されると共に、前記ポンプ本体を経て延在する第２ 開口と、 前記第１ 開口及び前記第２ 開口のうちの少なくとも一方に配設されるバルブと、を有し、使用時に、前記変位振動が前記ポンプ本体の前記キャビティ内に前記流体の対応する半径方向の圧力振動を発生して、前記第１ 及び第２ 開口を経る流体の流れを生じさせるポンプ、の事例が示されている。

【0012】

特許文献５に示される事例では、垂直方向に振動するアクチュエータによって円筒形キャビティの半径方向に音響定在波を形成し、これによって円筒形キャビティ中心付近に大振幅圧力振動を発生させている。特許文献３，及び特許文献４に比べて圧縮性流体を高圧に送出する原理構成として優れた提案である。しかしながら、この構成に基づいてより小型のブロアを製作しようとすると以下の問題があった。1つ目は小型のブロアを製作するためにキャビティ径を小さく設計した場合、キャビティ径が小さくなることによる共振周波数の増大で、差圧により従動する原理で構成されたバルブ（一方向弁）の揺動が共振周波数に追い付かなくなり、一方向弁としての機能が得られなくなる可能性があること。小型化しても大流量で且つ高圧であるという両方を要求するようなアプリケーションに対して、十分に満足するものではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】特許第３０３５８５４号公報

【特許文献2】特許第５００３７００号公報

【特許文献3】特許第４８７３０１４号公報

【特許文献4】特許第６７６９５６８号公報

【特許文献5】特表２０１２－５２８９８０公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

上記の流体ポンプないしはブロアによれば、アクチュエータとして圧電素子を使用して高周波領域で駆動し、簡素な構成で流体を送出する機能を実現しており、小型電子機器へ適合することができる技術提案であることは確かである。しかしながら、携帯端末に代表されるような、より薄型の小型電子機器に内蔵して大流量且つ高圧であることを求めるアプリケーションに適用するには、これらの提案はそれを満足するものではない。例えばカフを加圧して血圧を測定する機能を携帯端末や時計型携帯機器に内蔵したい場合や、同様に花粉や大気汚染物質を吸引し検出あるいはカウントしたりする機能を、携帯端末や時計型携帯機器に内蔵する場合、さらには医療機器の一つである、傷口患部を吸引して肉芽形成効果を高める携帯可能な陰圧治療器に適用したい場合等では、ブロアデバイスの薄型化とともに、大流量且つ高圧であることが必須条件となる。

【0015】

本発明は携帯端末に代表される今後の社会生活において継続的な需要が見込まれると考えられる、より薄型・小型の電子機器に内蔵することを目的として、薄型化が可能な圧電ブロアデバイスの具体的な構成を提案することである。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明に係る圧電ブロアは、圧電素子によって変位振動する厚さ１００μm以下の円形ダイヤフラムの中心内部にダイヤフラムの変位振動に伴いアクティブに動作する一方向弁機構を内蔵し、ダイヤフラムを含んで構成された円筒状キャビティ内に生じる流体の半径方向振動（縦波）によって生成される圧力定在波の最大・最小値となる位置に一方向弁機構の中心軸を一致させる。また一方向弁機構の流体出口側となるダイヤフラム面に貼り付けられた圧電素子は円筒形であり且つ中心部に流体導通穴を有した形状であり、一方向弁機構と同様圧力定在波の最大・最小値となる位置に流体導通穴の中心軸を一致させる。円筒形キャビティ内で生成される圧力定在波はダイヤフラムに内蔵された一方向弁によって変位振動に同期して選択的に開閉が切り替えられ、円筒形キャビティ内の高圧位相の流体は圧電素子の中心に形成された流体導通穴を通って外部に送出されることとなる。ダイヤフラムは円形縁部が接合固定されて振動し、薄型化したダイヤフラムに貼り付けられた圧電素子への電圧印可で生じる屈曲変位によって外部への流体送出を誘引する。これらの構造を薄い領域で形成するために、一方向弁機能を有するダイヤフラムは金属箔材を３層で拡散接合して製作される。また円筒形キャビティ及び吸入流路となる部分も同様に金属箔材による拡散接合によって一体的に形成される。またダイヤフラムの表面には絶縁層と導電層が形成されワイヤーボンディングで圧電素子と電気的な接続が行なわれるとともに、同様にダイヤフラム表面に別途流路基板と接続する流体経路が形成される。

【発明の効果】

【0017】

本発明においては、サイズダウンに伴う駆動周波数増加に対する一方向弁の追従性を維持できるため、携帯端末に代表される、薄型・小型の電子機器に内蔵して大流量で且つ高圧が必要な種々のアプリケーションに対応することができる。

【0018】

また、また金属箔材の拡散接合によって本体を形成することで、従来例に比べて圧電ブロアデバイスの厚さを極めて薄くすることができるため、実装における自由度が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、本発明に係る圧電ブロアデバイス１の典型的な製品形状を示す外観斜視図である。

【図2A】図２Ａは、本発明に係る圧電ブロアデバイス１の正面図である。

【図2B】図２Ｂは、本発明に係る圧電ブロアデバイス１の矢視Ａ方向から見た模式断面図である。

【図2C】図２Ｃは、本発明に係る圧電ブロアデバイス１の矢視Ｂ方向から見た模式断面図である。

【図3】図３は、本発明に係る圧電ブロアデバイス１内に配置される一方向弁周辺を拡大した模式断面図である。

【図4】図４は、本発明に係る圧電ブロアデバイス１の分解構成斜視図である。一部を拡大した図として、分解構成斜視図に示された第１弁穴層１４Ａの複数の弁穴１４Ａ－１の形状を示す。

【図5A】図５Ａは、一方向弁が閉動したことを説明する模式断面図である。

【図5B】図５Ｂは、一方向弁が開動したことを説明する模式断面図である。

【図6】図６は、拡散接合の原理を示す模式図である。

【図7】図７は、拡散接合原理使って積層接合したダイヤフラム１４の厚さ構成例を示している。

【図8】図８は、本発明に係る圧電ブロアデバイス１の好適な実装方法を示した斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例0020】

図１は本発明に係る圧電ブロアデバイス１の典型的な外観形状を示す斜視図である。金属箔材を金属拡散接合法によって多層化接合した略四角形状のブロア本体１０の不図示のダイヤフラム面１４に、中心部に流体導通穴３１を有した円形の圧電素子３０が貼り付けられている。略四角状のブロア本体１０に接合され、ダイヤフラム１４としては変位振動しない対角領域に、圧電素子３０を駆動するための２つの電圧印可用ランド４１，４２が設けられている。そのうちの１つはＧＮＤ用ランド４１であり、圧電素子３０下面に形成された不図示の－電極面３０Ｂと導電性を持つ金属材料で構成された略四角状のブロア本体１０に電気的に導通されている。他方はＳＩＧ用ランド４２であり、絶縁層２０上にＡｕメッキやＡｇをパターン印刷するなどによってＳＩＧ用ランド４２は形成され、圧電素子３０の＋電極面３０ＡとＳＩＧ用ランド４２はＡｕないしはＡｌ／Ｓｉ材質の細いボンディングワイヤ５０で電気的に接続されている。また、略四角状のブロア本体１０に接合され、ダイヤフラム１４としては変位振動しない領域で且つ２つの電圧印可用ランド４１及び４２が形成されていない領域、には流体を吸入しブロア本体内に導入するＩＮＬＥＴ穴６０が形成される。本実施例のようにブロア機能に影響しない領域には貫通孔７０を予め形成しておき、製品内に組み込む時に位置決め穴として使用しても良い。
不図示の電源装置を２つの電圧印可用ランド４１及び４２に接続して交流電圧を印可することで圧電素子３０は圧縮・伸長を繰り返し、後述する原理にて流体を加圧・整流・送出し、圧電素子３０の中心に穿たれた流体導通穴３１をＯＵＴＬＥＴとして矢印方向に吐出が行われる。

【0021】

図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃ，及び図３は、本発明に係る圧電ブロアデバイス１の模式断面図を示しており、特に図３では一方向弁の詳細な構造を示している。また本発明の構成をよく理解するために、図４に本発明に係る典型的な圧電ブロアデバイス１の分解構成斜視図を示している。
図２Ｂまたは図２Ｃは図２Ａに矢視した方向から見たそれぞれの断面図を示している。略四角状のブロア本体１０は図２Ｂまたは図２Ｃに示す通り断面方向から見ると、ダイヤフラム層１４・キャビティ層１３・ノード層１２・流路層１１の大きく４つのブロックで構成されている。これらの４つの層は金属箔材を後述する金属拡散接合法によって接合され一体化している。キャビティ層１３の下に配置されたノード層１２には２つのノード穴１２Ａが形成されており、ＩＮＬＥＴ穴６０から流路溝１１Ａを通り流路が接続され、さらにキャビティ１３Ａに流体経路が連結されている。
ダイヤフラム層１４はさらに、薄い３つの層によって構成されている。図３の図中下から弁穴層１４Ａ、フラップ弁層１４Ｂ、弁揺動空間層１４Ｃ、となっており、同様に金属拡散接合法によってフラップ弁層１４Ｂの一部であるフラップ弁１４Ｂ―１以外はすべて一体化している。
弁穴層１４Ａは扇状の４つの弁穴１４Ａ－１を有した層として形成されている。フラップ弁１４Ｂ－１は弁穴層１４Ａの扇状の４つの弁穴１４Ａ－１とは重ならない中心位置に貫通孔１４Ｂ－２が形成されている。後述する２つの動作モードによってフラップ弁１４Ｂ－１は弁揺動空間１４Ｄ―１の間で強制的に揺動し、一方向弁としての機能を発現する。金属箔材の積層接合により、一方向弁機構を内蔵しつつ薄いダイヤフラム１４としてバルク材料に近い組織構成となっている。

【0022】

汎用的で且つ安価に中空構造体を形成可能な技術として、金属拡散接合法は大きな特徴を持つ。ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｏｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の技術領域においては、小型化を目的として微細な構造体と電子回路を、半導体シリコン材料を基に製造することが良く知られている。微細な構造体が高周波で動作する場合、必ずしも半導体シリコン材料が適するとは限らない。材料の機械的特性において、例えばＳＵＳ３０４と単結晶シリコンの曲げ強さを比較するとＳＵＳ３０４の方が3倍程度高い。またＳＵＳ３０４の方が延性も高いのでクラックが起きにくいなどのメリットがある。高周波で繰り返し弾性変形する動作が行われるようなデバイスでは、割れなどの破壊を回避するために、微細な加工が可能な範囲においては、金属材料を選択することが商業的には望ましいことは想像しやすいであろう。
圧電素子３０はダイヤフラム１４の表面に接着固定されている。接着剤８０は導電性を有しない熱硬化性エポキシ樹脂接着剤等が選定される。圧電素子３０の下面電極３０Ｂは表面粗さがあり、微視的には加圧接着した時にダイヤフラム１４表面と電気的に接続が保たれる。一方圧電素子３０の上面電極３０Ａは、前述のボンディングワイヤ５０によってＳＩＧ用ランド４２と電気的に接続が保たれている。

【0023】

図５Ａ及び図５Ｂは、ダイヤフラム１４の変位振動によって一方向弁が開動・閉動したことを説明する模式断面図である。図５Ａでは、圧電素子３０の上面電極３２に―電位が印可されて圧電素子３０が径方向に伸長し、接着剤８０により拘束されたダイヤフラム１４との間で歪変形が起こり、ダイヤフラム１４が図中上方向に変位した場合を示している。図５Ｂでは、圧電素子３０の上面電極３２に＋電位が印可されて圧電素子３０が径方向に圧縮し、接着剤８０により拘束されたダイヤフラム１４との間で歪変形が起こり、ダイヤフラム１４が図中下方向に変位した場合を示している。この時ダイヤフラム１４内に内蔵されたフラップ弁１４Ｂ－１は、相対的にダイヤフラム１４の変位方向とは逆方向に強制的に揺動することになる。図５Ａのようにダイヤフラム１４が上方向に変位した時にはフラップ弁１４Ｂ－１は弁揺動空間層側１４Ｃ―１に揺動して第１弁穴層１４Ａに係止し、外部への流体送出が不可の状態となる。ダイヤフラム１４が下方向に変位した時には図５Ｂのようにフラップ弁１４Ｂ－１は弁揺動空間１４Ｄ―１側に揺動して圧電素子３０に係止し、外部への流体送出が可の状態となる。

【0024】

フラップ弁１４Ｂ－１は１０μｍ以下の極薄い金属箔材からなり、フラップ弁層１４Ｂの一部として形成されている。金属の圧延加工は年々発展しており、圧延によって表面粗さが小さく数μｍ厚の均一な箔材を製作することが可能である。本発明に係る圧電ブロアデバイス1の構造を前提としてサイズダウンを試みていく場合にはダイヤフラム１４の駆動周波数が高くなるため、フラップ弁１４Ｂ―１の追従性を考慮するとより薄い材料を選択する必要性があることが予想される。
フラップ弁１４Ｂ－１は弁穴層１４Ａと弁揺動空間層１４Ｃの間に金属拡散接合で固定されているため、金属材料の弾性力によって貫通孔１４Ｂ―２を含む周辺部が揺動可能となっている。圧力差によって弁体が従動的に開閉する従来例の構成よりも、ダイヤフラム１４の変位振動によって強制的にフラップ弁１４Ｂ―１を揺動させる方が高周波数駆動への適用性は高い。

【0025】

図６は、本発明に係る圧電ブロアデバイス１を製作する元となる金属拡散接合の原理を示す模式図である。図は「Ｑ＆Ａ 拡散接合」１９９３年 産報出版刊 著者： 大橋修 からの出典である。ＪＩＳでは、拡散接合を「母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で、塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面に生じる原子の拡散を利用して接合する方法」と定義している。拡散接合は接合部の完全化（表面被膜の除去、接合面の密着）であり、金属原子の拡散を利用する接合機構に由来し、摩擦圧接・鍛接・熱間圧接・冷間圧接などの方法とは異なる。
清浄な金属同士が原子レベルで接近すると、溶融しなくても常温で容易に原子的な接合部が形成されることはよく知られている。商業的にこの現象を使って金属同士を接合するために表面粗さの小さい金属材料同士を重ねて真空中で加熱・加圧し接合する方法を汎用的には用いる。ある温度まで加熱すると金属材料表面の酸化被膜は拡散によって消失し金属原子が露出する。また加圧によって金属結晶のクリープは起こり、金属同士の接合面では距離が縮まり原子拡散が進んでいき、接合は完了する。
図６の（Ａ）は加熱前の酸化被膜で覆われた金属面を示している。
図６の（Ｂ）は酸化被膜が消失し凹凸が塑性変形し始めた過程を示している。
図６の（Ｃ）はクリープ変形する過程を示している。
図６の（Ｄ）は拡散で空隙が消失する過程を示している。
拡散接合法のメリットはいくつか挙げられるが、１）接合完了後、接合面はなくなり、バルクに近い組織になること。２）中空構造体が形成できること。３）金属種において接合材料の選択自由度が高いこと。４）表面粗さの小さい且つ薄い圧延材を選択して微細構造体を作りやすいこと。などが特筆すべき項目として挙げられる。

【0026】

図７は、拡散接合原理使って積層接合したダイヤフラム１４の厚さ構成例を示している。前述した通り、ダイヤフラム１４は一方向弁機構を内蔵したものであるため、機能を満足する形状に予めエッチングや微細プレスにて加工された複数の金属箔材を重ねて接合される。フラップ弁１４Ｂ－１部は外部からの加圧がないため、拡散接合実施後も弁穴層１４Ａ及び弁揺動空間層１４Ｃ―１の間で揺動可能なように維持される。例えば金属材料としてＳＵＳ３０４を選択した場合、比較的入手がし易く且つ表面粗さが小さいものが安価に入手できる。厚さは概ね、ｔ５μｍ～ｔ１０００μｍの範囲にあり、ダイヤフラムを構成する各層の厚さを例えば以下のようにすることができる。
弁穴層１４Ａ：ｔ３０μｍ
フラップ弁層１４Ｂ：ｔ５μｍ
弁揺動空間層１４Ｃ：ｔ３０μｍ
この例では拡散接合後のダイヤフラム層１４厚はｔ６５μｍとなり、ダイヤフラム１４の変位を最大化する方向に厚さを調整することができる。各層の厚さはこれに限定されることはなく、デバイス設計の目的に応じて種々の厚さが選択される。

【0027】

図８は、本発明に係る圧電ブロアデバイス１の実装方法を示した模式斜視図である。本発明の主目的は携帯端末に代表される薄型の小型電子機器への搭載であるため、圧電ブロアデバイス１の実装方法についても薄型化への考慮がされていなければならない。前述の図１で示したように、略四角状のブロア本体１０には流体導通穴３１が穿たれた圧電素子３０と、ＩＮＬＥＴ穴６０と、圧電素子３０を駆動するための２つの電圧印可用ランド４１及び４２が同一ダイヤフラム１４表面に設けられている。
ここで、内部に流体流路を持ち、表面には電子回路を形成したような流路基板３を圧電ブロアデバイス１とは別に用意し、本発明の圧電ブロアデバイス１を、間座４を介して実装することで低ハイト流体モジュール０として成立させることができる。間座４は例えば接着性を有する熱硬化性接着シートなどが選定される。圧電ブロアデバイス１に形成された流体導通穴３１及びＩＮＬＥＴ穴６０は流路基板３内部に形成された流路に穴周囲をリークしないよう接着され、流体経路として接続される。また圧電素子３０駆動用の２つの電圧印可用ランド４１及び４２は、導電性ペースト５や金属マイクロスプリング等で流路基板３表面に形成された電気的配線パターンに接続される。流路基板３内に内蔵された流路を前述した金属拡散接合で製作し、その上下に配線パターン化されたフィルム基板を貼り合わせた構成が薄型化と強度面が両立して小型電子機器への搭載には好ましいと考えられる。
フィルム基板は多層基板でもよく、本発明に係る圧電ブロアデバイス１のみを実装するのではなく、高密度配線により例えば圧力センサーダイ３Ａや抵抗チップ３Ｂ、コンデンサーチップ３Ｃ、アンプ回路３Ｄ、コネクタ３Ｅ、システムＬＳＩ３Ｆなども同時にフィルム基板上に実装して、低ハイト流体モジュール０として形成可能となる。
図に示すように、内部構造は異なるが、本発明に係る圧電ブロアデバイス１と同様の製造方法で製作した圧電バルブデバイス２も実装した構成とすれば、小型・薄型のカフ加圧型の血圧計モジュールとして、携帯端末に代表される小型電子機器、特に腕時計型の情報端末への実装が容易となる。

【産業上の利用可能性】

【0028】

本発明により製作される圧電ブロアデバイス１は、例えば情報機器分野では、血圧を測る機能や大気中のＣＯ２濃度や粉塵濃度を測る機能を携帯端末に内蔵し、常時モニタリングするなどの産業上の利用が考えられる。
例えば医療用途ではモバイル性を重視した陰圧治療器、ドレナージ、加圧カフ、無呼吸症候群防止装置、呼吸補助器などで産業上の利用が考えられる。
例えば自動車分野では、前照灯内の結露対策、バックモニターカメラの水滴除去、居眠り防止、芳香剤蒸散などで産業上の利用が考えられる。
例えばパーソナルな分野では、ポケットファン、空冷装置内蔵ジャケットなどで産業上の利用が考えられる。

【符号の説明】

【0029】

０ 低ハイト流体モジュール
１ 圧電ブロアデバイス
２ 圧電バルブデバイス
３ 流路基板
３Ａ 圧力センサーダイ
３Ｂ 抵抗チップ
３Ｃ コンデンサーチップ
３Ｄ アンプ回路
３Ｅ コネクタ
３Ｆ システムＬＳＩ
４ 間座
５ 導電性ペースト（金属マイクロスプリング）
１０ ブロア本体
１１ 流路層
１１Ａ 流路溝
１２ ノード層
１２Ａ ノード穴
１３ キャビティ層
１３Ａ キャビティ
１４ ダイヤフラム
１４Ａ 弁穴層
１４Ａ－１ 弁穴
１４Ｂ フラップ弁層
１４Ｂ―１ フラップ弁
１４Ｂ―２ フラップ弁穴
１４Ｃ 弁揺動空間層
１４Ｃ－１ 弁揺動空間
２０ 絶縁層
３０ 圧電素子
３１ 流体導通穴
３０Ａ 上面電極
３０Ｂ 下面電極
４１ ＧＮＤ用ランド
４２ ＳＩＧ用ランド
５０ ボンディングワイヤ
６０ ＩＮＬＥＴ穴
７０ 貫通孔
８０ 接着剤

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】