JPH0580270B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧電型流体噴出ノズルに関する。

（従来の技術） 分極方向に対して互いに逆方向に電界が加わる
ようにして張り合わせた圧電バイモルフ構造の板
は、電界を加えることによつて一方の板が伸び、
もう一方が縮むという関係から容易に湾曲した状
態に変形させることができる。このとき加える電
界を交流電圧で与えれば、この湾曲方向が交互に
変わり、これを一部で支持すれば発音体となる。
このような変形を利用すれば発音体だけでなく、
接点を動かすことでリレーやアクチユエーターと
しての利用が考えられ、これらに関するデバイス
も多く考案されている。

これらの応用の１つとして流体路の外壁の一部
に前記圧電バイモルフの振動板を張り付け、流体
路の両端の流体供給口と流体噴出口の近くで逆流
防止弁をとり付けることでモーターなどを利用し
た様な機械的部分のまつたくない流体噴出ノズル
ができインクジエツトプリンターのヘツド等への
利用が可能である。

（発明が解決しようとする問題点） このような流体噴出ノズルは単に流体路の一方
の面に振動板を形成しても、振動板の変形によつ
て生じた流体路の容積変化は振動板の中心に対し
て均等に変化するため、前記流体路内の流体も均
等に移動する。このため第６図に示すように振動
板６１が変形して排出される流体は供給口からも
出てしまう。さらに振動板の変形が元に戻るとき
には供給口からの流入だけでなく、噴出口から空
気を吸い込んでしまう。このような欠点を除去す
るために供給口と噴出口にそれぞれ逆流防止の弁
をとり付ける必要がある。しかし、このような逆
流防止弁は、ある一方向にだけ流れるように構成
しなければならない。このため小型化には限界が
あり、例えば数ミリ以下の流体路内にこの逆流防
止弁をとり付けること自体が困難となり、防止弁
を付けたとしても流体をまつすぐ噴出させること
が不可能になる。又、小型化のためにセラミツク
一体化を行うことを考えても、このような逆流防
止弁を形成することはできない。

本発明の目的は、これら従来の問題点を解決し
た圧電型流体噴出ノズルを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） すなわち本発明は、内部に流体路が形成された
少なくとも１以上の流体供給口及び流体噴出口が
あり、この流体供給口と流体噴出口のある方向で
変位を生じるように前記流体路内に、一部で固定
状態となつている少なくとも２以上のバイモルフ
形成部があり、かつドライブ回路を接続すること
でバイモルフを個々に制御し、さらにこのバイモ
ルフ形成部が焼結して圧電体となる材料と焼結し
て導体となる材料との積層体によつてなされる。

（作用） 本発明の圧電型流体噴出ノズルは、流体路内に
独立して動く２つの振動部分が電極層を３層形成
したバイモルフ型の積層体として構成されてお
り、この一部が流体路壁の一部に固定されてお
り、このバイモルフの部分の変位する側の位置に
それぞれ流体の供給口と噴出口が形成されるよう
に、流体路と２つの独立したバイモルフ部分を持
つものである。このため、供給口側にあるバイモ
ルフと噴出口側にあるバイモルフは独立してドラ
イブすることができ、この間に時間差を持たせる
ことができる。そして、流体路内のバイモルフを
まず流体供給口において変形させれば流体噴出口
から流体が吹き出され、次に流体供給口側のバイ
モルフを変形させたままの状態で流体排出口側の
バイモルフを変形させれば流体噴出口はふさが
れ、このとき流体供給口側を元に戻せば流体供給
口から流体が供給される。さらに、流体噴出口側
のバイモルフを元に戻す場合にも流体の方向は流
体供給口から流体が供給される方向への変形とな
るため流体の噴出から供給まで１サイクルの間に
逆流するようなことは無く、セラミツク一体の圧
電型流体噴出ノズルが得られる。

（実施例） 次に本発明の圧電型流体噴出ノズルについて図
面を参照して説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す圧電型流体
噴出ノズルの断面図である。

まず、流体路１１内には電極１２を３層形成し
た２つの独立したバイモルフ１３及び１４があ
り、このバイモルフの変位する側に流体供給口１
５と流体噴出口１６がある。さらに前記２つのバ
イモルフ１３及び１４は一端で流体路の壁面に固
定される。このとき、固定されるバイモルフと前
記流体供給口及び流体噴出口の位置関係は、バイ
モルフに電圧が加えられない状態（つまりバイモ
ルフが変形していない状態）のときに流体供給口
及び流体噴出口の上部の高さとなるように構成す
る。さらに、この流体供給口には流体の供給路１
７が接続される。

第２図は、本発明の圧電型流体噴出ノズルを得
る圧電材グリーンシートに形成するパターン例及
び穴あけ状態例を示す平面図であり、ａからｊの
各形状及びパターンが、ａを最上層として積層さ
れる。

第２図での構成は、まずａが最上層の流体路壁
面を形成するグリーンシートであり、ｂがバイモ
ルフ形成部の上側のスペースを形成するカツト部
２１を持つグリーンシートである。次に、ｃが最
上層の電極を流動体から絶縁するためのグリーン
シートであり、バイモルフ形成部に合わせた形状
となるカツト部２２を持ち、この下に、バイモル
フを形成する電極２３とバイモルフ部をフリー状
態とするためのカツト部２４と各電極を外部に取
り出すための取り出し電極２５を持つバイモルフ
形成部のｄ，ｅ，ｆのグリーンシートがある。さ
らにｇがバイモルフが変形可能なようにするため
のスペースを形成するためのカツト部２６を持つ
グリーンシートであり、ｈが流体路及び流体路の
供給口と噴出口を形成するためのカツト部２７を
持つグリーンシートであり、ｉが流体路を形成す
るためのカツト部２８を持つグリーンシートであ
り、最後にｊの最下層の流体路壁面を形成するグ
リーンシートによつて構成される。前記第２図で
の説明では、１つの圧電型流体噴出ノズルについ
てのパターン及び形状について示してあり、この
ため、ｈのグリーンシートでは２つの分割されて
いるが、実際には、複数のパターンが１枚のグリ
ーンシートが形成されており、積層後の切断によ
つてこれら１層あたりのパターンが得られるので
ある。又、第２図中の各グリーンシート中のカツ
ト部分は、このまま積層プレスしたのでは、つぶ
れてしまうので、各シートのカツトが終了した段
階でカツト部分のパターンに合わせたカーボング
リーンシート又はカーボンペーストなどのような
焼成過程において燃えてガス化し空洞が形成され
る材料をうめ込んで行けば良い。

このようにして得られた10枚の圧電材グリーン
シートをプレス金型内に積み重ね、100℃前後の
温度で加熱しながら250Kg／cm²程度の圧力で圧着
して積層体を得る。次に、この積層体を脱バイン
ダー工程を経て焼結することで第１図に示した断
面構造を有する圧電型流体噴出ノズルが得られ
る。

なお、この例で示した積層構成では、上下の流
体路壁を形成するシートを１層で示したが、グリ
ーンシートの厚みとの関係で補強が必要な場合に
は、それぞれのグリーンシートを複数で構成すれ
ば補強になり、又、内部バイモルフ形成部の保護
などを行うことができることは明らかである。さ
らに、バイモルフ形成部の型もこの型に限定され
ることなく、流体路の形状に合わせて自由に設計
でき、さらに流体供給口や流体噴出口の数や大き
さも限定されものではない。一方、２つのバイモ
ルフ形成部に対して流体供給口と流体排出口を対
向させて構成しているが、バイモルフの変位する
部分に、この流体供給口と流体噴出口がもうけて
あれば、第３図に示すように２つのバイモルフ形
成部３１が同一方向へ並び、この間に仕切り部３
２と流体路３３が形成されるように各グリーンシ
ートのパターンを構成してもよい。

ここで用いた圧電材グリーンシートは、マグネ
シウム・ニオブ酸鉛Pb（Mg1/3・Nb2/3）O₃を主
成分とする電歪材料の粉末を有機バインダーとと
もに溶媒中に分散し、スラリー状とする。これを
ドクターブレードを用いたスリツプキヤステイン
グ法によつて、厚さ20μｍ〜200μｍの均一な厚み
のセラミツク生シートとする。

このセラミツク生シートを規定の大きさに打ち
抜き、各カツト部形成のための穴をパンチ及びダ
イによつて形成する。次に、この穴あけを含む加
工されたバイモルフ形成部のグリーンシートにス
クリーン印刷機を用いて電極ペーストを印刷す
る。さらに、これらグリーンシートをプレス金型
にセツトし、同時に、各カツト部に対応したカー
ボングリーンシートをうめ込みながら各グリーン
シートを積み重ね100℃前後の温度で加熱し、250
Kg／cm²程度の圧力で圧着して積層体を得る。次
に、この積層体を必要に応じて所定の寸法に切断
した後、まず空洞パターンやセラミツクグリーン
シート中に存在する有機物を脱バインダー工程に
おいて酸化雰囲気中でゆつくりと加熱し、分解・
消失させる。通常これらの有機物は500℃〜600℃
までには完全に分解・酸化するが、急激に温度を
分解温度まで上げると積層体が破損するため、25
℃／時間あるいは、これよりもゆつくりとした温
度上昇スピードで温度を上げ、500℃〜600℃に充
分長い時間保持することで有機物を完全に消失さ
せる。

この後、900℃〜1200℃温度で焼成することで、
前記説明で述べた圧電型流体噴出ノズルが得られ
る。なお、取出し端子としての電極パターンは積
層体の端面まで出ているので、ここに外部電極と
して銀ペースト等を焼き付ければよい。

以上のようにして得た圧電型マイクロポンプで
は、まず分極処理を行うために、バイモルフ形成
部の電極に100〜200V程度の電圧を１分間程度与
える。

次に、これら２つのバイモルフ形成部の電極間
に、前記分極方向に対して互いに逆の接続となる
ように並列に接続し、バイモルフ１とバイモルフ
２の端子としてとり出す。

このようにして、とり出した端子に第４図に示
すような電圧波形となるような２つのドライブ回
路を接続する。第５図のａ〜ｅは、このドライブ
波形によつてドライブしたときの本発明の圧電型
流体噴出ノズルの動きを断面で示したものであ
る。

まずａがどちらのバイモルフにも電圧が加わつ
ていない状態であり、流体は流体路内に満たされ
ている状態である。ｂは流体供給口側のバイモル
フに電圧が加えられ、このバイモルフが変形した
状態であり、流体は流体排出口の方向へ動き、同
時に流体噴出口から流体が吹き出る。ｃはもう一
方の流体噴出口の方のバイモルフにも電圧が加え
られ変形した状態であり、このとき流体噴出口か
らの流体噴出がカツトされる。ｄは流体供給口側
のバイモルフの電圧が切られ、放電回路の動作に
よつて元に戻つた状態であり、この戻るときに流
体供給口から流体が流体路内に供給される。ｅは
流体噴出側のバイモルフの電圧が切られ、放電回
路の動作によつて元に戻つた状態であり、この戻
るときに流体供給口から流体が流体路内に供給さ
れ、ａの状態に戻つたことになる。以下同様にｂ
〜ｅがくり返えされることで流体が連続で噴出で
きる流体噴出ノズルが形成される。このとき、流
体供給口側と流体噴出口側にそれぞれ独立して変
形するバイモルフが時間的にずれて動作するの
で、この動作自体が逆流防止弁の効果を発揮し、
空気を吸い込むようなことは生じない。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、本発明によれ
ば、流体供給口側と流体噴出口側にそれぞれ変形
する独立したバイモルフを流体路内に形成したこ
とによつて、この独立したバイモルフを時間関係
をずらしてドライブすることで流体を一定方向へ
流すことを可能にするポンプとなるもので、この
とき動作する２つのバイモルフが逆流を生じさせ
ないように働くものである。従つて、逆流防止の
ための弁はまつたく不要となり、どのような大き
さの流体路であつても流体路中に２つのバイモル
フが形成できれば良く、超小型の流体噴出ノズル
が得られる。又、本発明の圧電型流体噴出ノズル
は圧電セラミツクスの積層と焼結のみによつて得
られ外付けの部品やその他アセンブリーをまつた
く必要としないため、低コスト化が可能な圧電型
流体噴出ノズルとなる。

なお、本発明での実施例では圧電材セラミツク
グリーンシートの積層技術によつて構成している
が、小型化を特に要求しない場合には、バイモル
フの板だけをセラミツク積層技術で得ておき、こ
れをステンレス等の材質で作つた流体供給口と流
体噴出口を持つ流体路内にアセンブリして得ても
同様な効果が得られることは明らかである。又、
流体供給口を例えば流体搬送用のホース直径に合
わせ、流体としてインクを使用すればプリンター
のインクジエツトヘツドができる。さらに流体路
及び流体供給口をバイモルフ形成部の上側にも形
成し、ドライブ電圧を交流電圧とし位相を第４図
に示したドライブ波形同様にすれば、バイモルフ
部の変形量が大きくなり、上下の流体路の流体を
交互に移動させることができるため、流体噴出ノ
ズルとしての流体の噴出量や流体を吹き出す力が
強くなり、高性能な圧電型流体噴出ノズルが得ら
れる。

一方、内部の空孔形成方法もカーボングリーン
シートやカーボンペーストだけでなく、特願昭60
−243218号、同60−243219号に示す感光性樹脂を
露光し、現象することでパターニングしたフイル
ムを積層時のグリーンシートに圧着しても同様な
効果の圧電型流体噴出ノズルとなる。

なお、本発明の圧電型流体噴出ノズルは流体噴
出口を流体路への流体排出口とすることで、連続
波でドライブすれば、流体排出口から連続的に流
体が流出し、例えばエンジン等への燃料移送のた
めのマイクロポンプとしたり、粘性の高い物質を
移送するマイクロデイスペンサーなどとしての利
用が可能なことは明らかである。

又、流体噴出口をドツトプリンターのドツトピ
ツチに合わせ、このピツチの流体噴出口と複数の
本発明圧電バイモルフを含む流体路の間に細い流
体路を焼成過程で焼失する物質でパターン形成す
ることで容易にインクジエツトドツトプリンター
が構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は
本発明の一実施例を示すグリーンシートの形状及
びこのパターン図、第３図は本発明の別の実施例
を示す内部バイモルフ形成部の透視平面図、第４
図は２つのバイモルフをドライブするドライブ波
形とこのドライブ回路図、第５図は第１図の構造
を第４図の状態でドライブしたときの断面図、第
６図は従来から考えられている圧電型インクジエ
ツトヘツドの断面図である。 図において、１１……流体路、１２……電極、
１３……流体供給側のバイモルフ、１４……流体
噴出口側のバイモルフ、１５……流体供給口、１
６……流体噴出口、１７……流体供給路、２１…
…バイモルフ形成部の上側のスペースを形成する
カツト部、２２……バイモルフ形成部の最上層の
電極を絶縁するためのバイモルフ形成部の形状と
なるカツト部、２３……バイモルフを形成する電
極、２４……バイモルフ部をフリー状態とするた
めのカツト部、２５……取り出し電極、２６……
バイモルフが変形可能なようにするためのスペー
スを形成するカツト部、２７……流体路及び流体
供給口と流体噴出口を形成するためのカツト部、
２８……流体路を形成するカツト部、３１……バ
イモルフ形成部、３２……仕切壁、３３……流体
路、V₁……流体供給口側のドライブ波形、V₂…
…流体噴出口側のドライブ波形、６１……振動
板、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に流体路が形成された少なくとも１以上
   の流体供給口および流体噴出口があり、この流体
   供給口と流体噴出口のある方向で変位を生じるよ
   うに、前記流体路内に、一部で固定状態となつて
   いる少なくとも２以上のバイモルフ形成部があ
   り、かつ個々のバイモルフにドライブ回路を接続
   することを特徴とする電圧型流体噴出ノズル。 ２ バイモルフ形成部が、焼結して圧電体となる
   材料と、焼結して導体となる材料との積層体であ
   る特許請求の範囲第１項記載の圧電型流体噴出ノ
   ズル。