JP2007331211A - 液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子のクロストークを抑制することができる液体吐出装置を提供する。
【解決手段】 液体吐出装置１は、圧電素子２とキャビティ部３と変位伝達部４とを備えている。圧電素子２は、圧電体５と、この圧電体５を挟んで対向する複数の内部個別電極６及び内部共通電極７とを複数層にわたって有している。キャビティ部３は、液体１１を収容するための複数の液室１２を有している。これらの液室１２は、各内部個別電極６に対応する位置に形成されている。変位伝達部４は、圧電素子２とキャビティ部３との間に配置され、圧電体５の積層方向の変位を対応する液室１２内の液体１１に伝える。変位伝達部４は、各液室１２の底面を形成する底板部１８と、底板部１８と圧電素子１との間に配置された複数の壁部１９とを有している。各壁部１９は、各内部個別電極６に対応する位置に設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電式の液体吐出装置に関するものである。

従来の圧電式液体吐出装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、列状に形成された複数の圧力室を有するキャビティプレートと、このキャビティプレートに対して積層され、各圧力室に対応するように列状に形成された複数の個別電極と共通電極とを有する圧電アクチュエータ（圧電素子）とを備えたものが知られている。
特開２００２−３６５６８号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題が存在する。即ち、圧電素子には、活性部（個別電極と共通電極とに挟まれる圧電体）と不活性部とが同一面内に交互に形成されている。このため、個別電極と共通電極との間に電圧を印加して、活性部を厚み方向に変位させたときに、隣り合う活性部同士が干渉し合う、いわゆるクロストークが生じることがある。

本発明の目的は、圧電素子のクロストークを抑制することができる液体吐出装置を提供することである。

本発明の液体吐出装置は、圧電体を挟んで対向する複数の個別電極及び共通電極を有する圧電素子と、各個別電極に対応する位置に設けられ液体を収容する複数の液室を有するキャビティ部と、圧電素子とキャビティ部との間に配置され、圧電体の厚み方向の変位を液体に伝える変位伝達部とを備え、変位伝達部は、各個別電極に対応する位置に設けられた複数の壁部を有することを特徴とするものである。

このような液体吐出装置においては、キャビティ部の各液室に液体が入っている状態で、圧電素子の個別電極と共通電極との間に電圧が印加されると、圧電体における個別電極と共通電極とに挟まれる部分（活性部）が圧電体の厚み方向に変位する。そして、その変位が変位伝達部を介して対応する液体に伝わり、当該液体が液室から吐出される。ここで、変位伝達部において各個別電極に対応する位置には、壁部が設けられている。このため、変位伝達部の各壁部間には、例えば空隙が形成されていることになる。従って、活性部の変位が隣の活性部に伝わろうとしても、その変位は当該空隙で吸収されるようになるので、隣り合う活性部同士のクロストークを抑制することができる。また、そのような空隙が変位伝達部に存在することで、変位伝達部が圧電体の厚み方向の変位を阻害することも殆ど無い。

好ましくは、変位伝達部は、各液室の底面を形成する底板部を更に有し、複数の壁部は、底板部と圧電素子との間における各個別電極に対応する位置に設けられている。このように各液室の底面を形成する底板部を設けることにより、壁部の面内寸法（幅または径）を特に大きくしなくても、圧電素子が液体に接触することは無く、圧電素子が液体から確実に保護されるようになる。従って、壁部の面内寸法を小さくすることで、隣り合う活性部同士のクロストークを一層抑制することができると共に、圧電体の厚み方向の変位を増大させることができる。

このとき、好ましくは、複数の壁部は、底板部と圧電素子との間における液室に対応する領域及び個別電極に対応する領域よりも内側に設けられている。これにより、壁部の面内寸法が十分小さくなるため、隣り合う活性部同士のクロストークをより確実に抑制することができると共に、圧電体の厚み方向の変位を更に増大させることができる。

また、好ましくは、底板部と圧電素子との間には、複数の開口部を有する板状体が設けられ、板状体における各開口部間の部分が壁部を構成している。板状体の開口部は、例えばエッチング加工やレーザ光の照射等によって簡単に且つ精度良く形成することができる。従って、底板部と複数の壁部とを有する変位伝達部を容易に作ることができる。

また、底板部には、複数の突起が一体形成されており、突起が壁部を構成していても良い。この場合には、変位伝達部を構成する部品点数が１つで済み、板状部と複数の壁部との貼り合わせが不要となる。

さらに、好ましくは、複数の個別電極及び共通電極は、圧電体を介して複数層にわたって積層されている。このように圧電素子を積層構造とすることで、活性部の高さ寸法が大きくなるので、その分だけ圧電体の厚み方向の変位を増大させることができる。

本発明によれば、圧電素子のクロストークを抑制することができる。これにより、複数の個別電極を狭ピッチで配置・形成可能となるので、圧電素子及び液体吐出装置の小型化を図ることができる。

以下、本発明に係わる液体吐出装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる液体吐出装置の一実施形態を示す断面図であり、図２は、図１に示す液体吐出装置の分解斜視図である。各図において、本実施形態の液体吐出装置１は、例えばマイクロポンプユニットに用いられる装置である。

液体吐出装置１は、直方体状の積層型圧電素子２と、キャビティ部３と、圧電素子２とキャビティ部３との間に配置された変位伝達部４とを備えている。なお、図１及び図２では、液体吐出装置１は、上下方向を逆にして示してある。つまり、実際には、圧電素子２は上側に位置し、キャビティ部３は下側に位置している。

圧電素子２は、圧電体５と、この圧電体５を挟んで対向する複数の内部個別電極６及び内部共通電極７とを複数層にわたって有している。各内部個別電極６及び内部共通電極７は、圧電体５を介して交互に積層されている。圧電体５における各内部個別電極６と内部共通電極７とに挟まれた部分は、内部個別電極６と内部共通電極７との間に電圧が印加された時に積層方向（厚み方向）のモードを使用した変位（３３モードによる直接変位）が発生する活性部５ａを構成している。

内部個別電極６は、図３（ｅ）に示すように、各層において２列に形成されている。このとき、圧電素子２の長手方向に垂直な方向に隣り合う内部個別電極６同士は、圧電素子２の長手方向に対してずれるように配列されている。また、内部個別電極６は、圧電素子２の長手方向に垂直な方向に延びるような矩形状を呈している。

圧電素子２の上面には、各層の複数の内部個別電極６とそれぞれスルーホール（図示せず）等を介して電気的に接続された複数の外部個別電極８と、各層の内部共通電極７とスルーホール（図示せず）等を介して電気的に接続された外部共通電極９とが設けられている。各外部個別電極８には、入力端子１０が接続される。

圧電体５は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とした圧電セラミック材料で形成されている。内部個別電極６及び内部共通電極７は、例えばＡｇ及びＰｄで形成されている。外部個別電極８及び外部共通電極９は、例えば内部個別電極６及び内部共通電極７と同様、Ａｇ及びＰｄが印刷焼付けにより形成されている。なお、外部個別電極８及び外部共通電極９としては、ハンダ付けを考慮して更にＡｇを重ねても良い。

このような圧電素子２は、以下のようにして作製する。即ち、例えばＰＺＴを主成分とした圧電セラミックを用意し、これに有機バインダ・有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、ＰＥＴフィルムをキャリアフィルムとしてペーストをシート成形することで、上記の圧電体５となるセラミックグリーンシートを形成する。

続いて、例えばＡｇ：Ｐｄ＝７：３の比率で構成された導電材料と有機バインダ・有機溶剤等とを混合した導電ペーストを作製し、例えばスクリーン印刷法を用いて、上記の複数の内部個別電極６及び内部共通電極７を異なるグリーンシートに形成する。続いて、内部個別電極６が印刷されたグリーンシートと内部共通電極７が印刷されたグリーンシートと電極を印刷していないグリーンシートとを、所定の順序で積層する。

続いて、そのグリーン積層体に対して熱プレス加工を行った後、グリーン積層体を所定の寸法に切断する。続いて、グリーン積層体の脱脂（脱バインダ）を行った後、グリーン積層体を焼成する。続いて、印刷焼付けやスパッタリング等を用いて、焼成後の素子（焼結体）の上面に、例えばＡｇからなる外部個別電極８及び外部共通電極９を形成する。

キャビティ部３は、液体１１を収容するための複数の液室１２を有している。これらの液室１２は、各内部個別電極６に対応する位置に形成されている。つまり、液室１２は、内部個別電極６に対応して２列に形成されている（図４参照）。キャビティ部３の下部には、各液室１２から液体１１を吐出させるための複数の吐出口１３が設けられている。これらの吐出口１３は、キャビティ部３の下面中央部に形成されている（図４参照）。

キャビティ部３は、図２及び図３に示すように、各液室１２の一部を形成する複数の開口部１４を有する複数枚（ここでは４枚）の金属板１５と、各吐出口１３を形成する複数の開口部１６を有する金属板１７とを積み重ねてなるものである。開口部１４は、金属板１５の長手方向に垂直な方向に延びるような矩形状を呈している。開口部１４，１６は、例えば金属板１５，１７をエッチング加工することによって形成される。金属板１５，１７は、ニッケル合金鋼、クロム合金鋼やシリコン等の導電性材料で形成されている。

なお、特に図示はしないが、キャビティ部３には、外部から各液室１２に液体１１を供給・流通するための流路が設けられている。

変位伝達部４は、圧電体５（活性部５ａ）の積層方向の変位を対応する液室１２内の液体１１に伝える層である。変位伝達部４は、各液室１２の底面を形成する底板部１８と、底板部１８と圧電素子１との間に配置された複数の壁部１９とを有している。各壁部１９は、各内部個別電極６に対応する位置に設けられている。各壁部１９間の領域は、空隙となっている。

壁部１９の幅寸法Ｗは、内部個別電極６の幅寸法Ｗ_１及び液室１２の幅寸法Ｗ_２よりも狭くなっている。そして、そのような幅寸法Ｗを有する壁部１９は、内部個別電極６に対応する領域及び液室１２に対応する領域よりも内側の領域に形成されている。

変位伝達部４は、図２及び図３に示すように、底板部１８を形成する金属薄板２０と、内部個別電極６に対応して２列に形成された複数の開口部２１ａを有する金属板２１とからなっている。開口部２１ａは、金属板２１の長手方向に垂直な方向に延びるような矩形状を呈している。そして、金属板２１における各開口部２１ａ間の桁部分２１ｂが壁部１９を構成している。開口部２１ａは、例えば金属板２１をエッチング加工することによって形成される。金属薄板２０及び金属板２１は、上記の金属板１５，１７と同様の導電性材料で形成されている。

以上のような圧電素子２、変位伝達部４及びキャビティ部３を順に積層して、接着剤で貼り合わせることにより、図１に示すような液体吐出装置１が得られる。このとき、変位伝達部４の各壁部１９（金属板２１の各桁部分２１ｂ）は、図４（ａ）に示すように、圧電素子２の各内部個別電極６の真上位置に配置される。そして、キャビティ部３の各液室１２は、図４（ｂ）に示すように、変位伝達部４の各壁部１９の真上位置に配置される。さらに、キャビティ部３の各吐出口１３は、図４（ｃ）に示すように、各液室１２の真上位置に配置される。

なお、圧電素子２の分極処理は、圧電素子２、変位伝達部４及びキャビティ部３を貼り合わせる前に行っても良いし、これらを貼り合わせた後に行っても良い。また、液体吐出装置１を作製するときは、圧電素子２の上に金属板２１、金属薄板２０、複数の金属板１４及び金属板１７を順に積層して貼り合わせても良い。

以上のような液体吐出装置１において、キャビティ部３の各液室１２には予め液体１１が入っている。このとき、変位伝達部４の底板部１８の下面１８ａは各液室１２の底面を形成しているので、液体１１が圧電素子２に接することは無い。つまり、圧電素子２は、底板部１８によって液体１１から保護されることになる。また、使用する液体１１の種類を選ぶ必要も無い。

その状態で、外部共通電極９がＧＮＤ電位となるように何れかの外部個別電極８と外部共通電極９との間に所定の電圧を印加すると、選択された外部個別電極８に対応する内部個別電極６と内部共通電極７との間に電圧が印加されることとなる。すると、各層の圧電体５における当該内部個別電極６と内部共通電極７との間の活性部５ａに電界が生じ、この活性部５ａが積層方向に変位するようになる。そして、その変位が、変位伝達部４の壁１９及び底板部１８を介して対応する液室１２内の液体１１に伝えられる。その結果、当該液室１２の容積が減少し、その容積減少分に相当する量の液体１１が吐出口１３から吐出される（図１参照）。

ここで、比較例として、従来一般の液体吐出装置の一つを図５に示す。同図において、液体吐出装置１００は、積層型圧電素子２と、この圧電素子２の下面に接合されたキャビティ部３とからなっている。つまり、液体吐出装置１００は、上記の変位伝達部４を有していない構造をなしている。ただし、圧電素子２の最下層２ａは、全く電界がかからない不活性層であるため変位抑制層となっている。

このような液体吐出装置１００において、内部個別電極６と内部共通電極７との間に電圧が印加されると、両者間に電界が生じて活性部５ａが積層方向に変位し、その変位が対応する液室１２内の液体１１に伝えられ、当該液体１１が吐出口１３から吐出される。このとき、各内部個別電極６の配列ピッチが狭い場合には、任意の活性部５ａの変位が隣の活性部５ａに伝わり、活性部５ａ同士の干渉（クロストーク）が生じることがある。この場合には、任意の活性部５ａの変位が隣の活性部５ａに対応する液室１１内の液体１２にも伝えられるため、その液体１２も吐出口１３から少し吐出されてしまう。

これに対し本実施形態では、圧電素子２とキャビティ部３との間における各内部個別電極６に対応する位置に、変位伝達部４の一部を構成する壁部１９をそれぞれ設けたので、隣り合う活性部５ａ同士が空間を介して物理的に分断されることになる。このため、内部個別電極６と内部共通電極７との間に電圧を印加して、活性部５ａを積層方向に変位させたときに、隣の活性部５ａに伝わろうとする変位は当該空間で吸収されるので、隣り合う活性部５ａ同士のクロストークの発生が抑えられる。従って、任意の活性部５ａの変位の影響によって、隣の活性部５ａに対応する液室１２内から液体１１吐出されてしまうことが防止される。

これにより、内部個別電極６の狭ピッチ化が可能となるので、圧電素子２の小型化及び高集積化を図ることができ、結果的に液体吐出装置１の小型化の要求に対処することが可能となる。

また、変位伝達部４の壁部１９を内部個別電極６に対応する領域及び液室１２に対応する領域よりも内側に設けることにより、変位伝達部４における空隙の領域が増えるため、圧電体５の積層方向の変位が変位伝達部４で拘束されにくくなる。これにより、圧電体５の変位量を増大させることができる。

さらに、金属材料からなる変位伝達部４に内部共通電極７と同じ電圧（ＧＮＤ電圧）を印加することにより、変位伝達部４が共通電極の役割を果たすことになり、最下層の圧電体５にも活性部５ａが存在するようになるため、圧電体５の変位量を更に増大させることができる。

図６は、本発明に係わる液体吐出装置の他の実施形態を示す断面図であり、図７は、図６に示す液体吐出装置の分解斜視図である。図中、上述した実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

各図において、本実施形態の液体吐出装置３０は、上述した実施形態における変位伝達部４に代えて、変位伝達部３１を備えている。変位伝達部３１は、図６及び図８に示すように、キャビティ部３の各液室１２の底面を形成する底板部３２を有し、この底板部３２には、複数の突起（壁部）３３が一体形成されている。各突起３３は、図９に示すように、圧電素子２の各内部個別電極６に対応する位置に設けられている。突起３３の幅寸法、内部個別電極６及び液室１２に対する突起３３の形成位置は、上述した実施形態における壁部１９と同様である。各突起３３間の領域は、空隙となっている。

変位伝達部３１は、上記の変位伝達部４と同じ材料で形成されている。変位伝達部３１は、例えば金属平板をハーフエッチングすることにより得られる。

液体吐出装置３０の他の構成は、上述した実施形態と同様である。液体吐出装置３０を作製するときは、上述した実施形態と同様に、圧電素子２、変位伝達部３１及びキャビティ部３を順に積層して貼り合わせる。

本実施形態においても、圧電素子２における隣り合う活性部５ａ同士のクロストークを抑制できるので、圧電素子２の小型化及び高集積化を図ることができる。また、圧電素子２の圧電体５の変位量を増大させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、変位伝達部の各壁部間の領域を空間としたが、その空間内に柔らかい樹脂（接着樹脂）等を充填させておいても良い。

また、上記実施形態では、変位伝達部がキャビティ部３の各液室１２の底面を形成する底板部を有する構成となっているが、そのような底板部を設けずに、圧電素子２の内部個別電極６に対応する位置に設けられた壁部がキャビティ部３の各液室１２の底面を形成するような構造としても良い。

さらに、変位伝達部の材料としては、ニッケル合金鋼、クロム合金鋼や導電性シリコン等の金属材料に限られず、セラミック材料や樹脂等であっても良い。また、各層の内部個別電極６の形状、数、配列構成等については、特に上記実施形態のものには限られない。

また、上記実施形態の液体吐出装置は、複数層の圧電体を有する積層型圧電素子を備えているが、特に大きな変位量を必要としないのであれば、単層構造の圧電体を有する圧電素子を備えた構成としても良い。

本発明に係わる液体吐出装置の一実施形態を示す断面図である。 図１に示す液体吐出装置の分解斜視図である。 図１に示す圧電素子と変位伝達部及びキャビティ部の構成部品の平面図である。 図１に示す圧電素子と変位伝達部とキャビティ部の構成部品との位置関係を示す図である。 従来一般の液体吐出装置の一つを示す断面図である。 本発明に係わる液体吐出装置の他の実施形態を示す断面図である。 図６に示す液体吐出装置の分解斜視図である。 図５に示す変位伝達部の斜視図である。 図６に示す圧電素子と変位伝達部及びキャビティ部の構成部品の平面図である。

符号の説明

１…液体吐出装置、２…積層型圧電素子、３…キャビティ部、４…変位伝達部、５…圧電体、６…内部個別電極、７…内部共通電極、１１…液体、１２…液室、１８…底板部、１９…壁部、２１…金属板（板状部）、２１ａ…開口部、２１ｂ…桁部分、３０…液体吐出装置、３１…変位伝達部、３２…底板部、３３…突起（壁部）。

Claims (6)

1. 圧電体を挟んで対向する複数の個別電極及び共通電極を有する圧電素子と、
   前記各個別電極に対応する位置に設けられ液体を収容する複数の液室を有するキャビティ部と、
   前記圧電素子と前記キャビティ部との間に配置され、前記圧電体の厚み方向の変位を前記液体に伝える変位伝達部とを備え、
   前記変位伝達部は、前記各個別電極に対応する位置に設けられた複数の壁部を有することを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記変位伝達部は、前記各液室の底面を形成する底板部を更に有し、
   前記複数の壁部は、前記底板部と前記圧電素子との間における前記各個別電極に対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
3. 前記複数の壁部は、前記底板部と前記圧電素子との間における前記液室に対応する領域及び前記個別電極に対応する領域よりも内側に設けられていることを特徴とする請求項２記載の液体吐出装置。
4. 前記底板部と前記圧電素子との間には、複数の開口部を有する板状体が設けられ、
   前記板状体における前記各開口部間の部分が前記壁部を構成していることを特徴とする請求項２または３記載の液体吐出装置。
5. 前記底板部には、複数の突起が一体形成されており、
   前記突起が前記壁部を構成していることを特徴とする請求項２または３記載の液体吐出装置。
6. 前記複数の個別電極及び前記共通電極は、前記圧電体を介して複数層にわたって積層されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の液体吐出装置。

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