JP2008096371A

JP2008096371A - Inkjet head

Info

Publication number: JP2008096371A
Application number: JP2006281137A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Hanaoka; 幸弘花岡
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-04-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem wherein a proposed inkjet head structure generally comprising a PZT piezo as a dispenser head for a liquid sample that has been proposed to be used continuously but is not suitable for use on a case-by-case basis. <P>SOLUTION: The inkjet head comprises a base 20 with a liquid path 21 through which a liquid sample circulates demarcated in the surface, vibrating plates 30, overlying the surface of the base 20 that cover at least a path, and a sheet-like electrostrictive actuator 40 overlying the vibrating plates 30. The electrostrictive actuator 40 is made by forming electrodes 41, 45 on both surfaces of a dielectrics sheet 43, consisting of a high polymer material and makes the vibrating plates 30 vibrate, by deforming the electrostrictive actuator 40 and dispenses the liquid sample by varying the pressure inside the liquid path 21. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明はヘッド（インクジェット方式）に関する。このヘッドは微小量の液体試料を分注するのに好適に使用される。 The present invention relates to a head (inkjet system). This head is preferably used to dispense a small amount of liquid sample.

血液等の液状の生体試料は大量に準備することが困難である。そのため、生体試料に基づき、数多くの検査を行なうためには、生体試料を小分けに分注する必要がある。
生体試料を分注するためのヘッドとして、インクジェットヘッドの構成を利用したものが特許文献１に開示されている。
インクジェットヘッドの構成を分注ヘッドとして利用する例が特許文献２にも開示されている。
更には、本件発明に関連する技術を開示する特許文献３も参照されたい。
特開２０００−２２９２４５号公報特開２００５−９５３３１０号公報特開２００４―２８１７１１号公報 It is difficult to prepare a large amount of liquid biological samples such as blood. Therefore, in order to perform many tests based on the biological sample, it is necessary to dispense the biological sample into small portions.
As a head for dispensing a biological sample, a head using the configuration of an inkjet head is disclosed in Patent Document 1.
An example in which the configuration of an inkjet head is used as a dispensing head is also disclosed in Patent Document 2.
Further, see Patent Document 3 that discloses a technique related to the present invention.
JP 2000-229245 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-953310 JP 2004-281711 A

生体試料用の分注ヘッドの場合、コンタミ（異物混入）を避けるために、これを試料毎に取替えることが好ましい。
他方、一般的なインクジェットヘッドはプリンタ等の用途に対応して継続使用を前提として構成されている。その結果、次の解決すべき課題がある。
機械的振動膜として一般的にＰＺＴピエゾ薄膜が採用されるが、ＰＺＴには鉛が含まれているため、廃棄の方法が限定される。
汎用的なインクジェットヘッドは大きな吐出パワーを作り出すため、アクチュエータが大きな力を発生する。従って、試料にかかる剪断ストレスが非常に大きくなる。その結果、生体試料が破壊されるおそれがある。 In the case of a dispensing head for a biological sample, it is preferable to replace it for each sample in order to avoid contamination (contamination of foreign matter).
On the other hand, a general inkjet head is configured on the premise of continuous use corresponding to the use of a printer or the like. As a result, there are the following problems to be solved.
A PZT piezo thin film is generally used as the mechanical vibration film. However, since PZT contains lead, the disposal method is limited.
Since a general-purpose inkjet head produces a large discharge power, the actuator generates a large force. Accordingly, the shear stress applied to the sample becomes very large. As a result, the biological sample may be destroyed.

この発明は上記課題を解決することを目的とし、その構成は次の通りである。
即ち、液体試料を分注するためのインクジェットヘッドであって、
前記液体試料が流通する液体流路を表面に形成した基体と、
前記基体の表面へ積層されて少なくとも前記流路を被覆する振動板と、
前記振動板へ積層されて前記振動板を変形させるシート状の圧電アクチュエータと、を備え、
前記圧電アクチュエータは高分子材料からなる誘電体シートの両面に電極を形成したものであり、該電極へ印加する電圧を制御することにより、前記圧電アクチュエータが変形して前記振動板を振動させ、前記液体流路内の圧力を変化させて前記液体試料を分注する、ことを特徴とするインクジェットヘッド。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and the configuration thereof is as follows.
That is, an inkjet head for dispensing a liquid sample,
A substrate on which a liquid channel through which the liquid sample flows is formed on the surface;
A diaphragm that is laminated on the surface of the substrate and covers at least the flow path;
A sheet-like piezoelectric actuator that is stacked on the diaphragm and deforms the diaphragm;
The piezoelectric actuator is formed by forming electrodes on both surfaces of a dielectric sheet made of a polymer material. By controlling a voltage applied to the electrode, the piezoelectric actuator is deformed to vibrate the diaphragm, An ink jet head, wherein the liquid sample is dispensed by changing a pressure in a liquid channel.

このように規定されるこの発明の第１の局面のインクジェットヘッドによれば、圧電アクチュエータの構成が高分子材料からなる誘電体シートの両面に電極を形成したものとなったので、ＰＺＴの使用を排除することができる。これにより、環境に負荷のかかる鉛が排除されるので、ヘッドの廃棄が容易になる。その結果、液体試料毎にヘッドを取替えても、その廃棄が負担にならない。即ち、この発明のヘッドは、都度使用に適したものとなる。
また、高分子材料からなる誘電体シートの両面に電極を形成してなる圧電アクチュエータでは大きな力を発生することができないため、試料にかかる剪断ストレスの増大を防止できる。 According to the ink jet head of the first aspect of the present invention thus defined, since the piezoelectric actuator has a structure in which electrodes are formed on both surfaces of a dielectric sheet made of a polymer material, the use of PZT is not recommended. Can be eliminated. As a result, lead that burdens the environment is eliminated, which makes it easier to discard the head. As a result, even if the head is changed for each liquid sample, the disposal is not a burden. That is, the head of the present invention is suitable for use each time.
In addition, since a large force cannot be generated in a piezoelectric actuator in which electrodes are formed on both surfaces of a dielectric sheet made of a polymer material, an increase in shear stress applied to the sample can be prevented.

この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
この発明の第１の局面で規定されるインクジェットヘッドにおいて、前記シート状の圧電アクチュエータを多層にする。
このように規定される第２の局面のヘッドによれば、各層の圧電アクチュエータが発生する力は小さくても、それらが積層されることにより、各層の圧電アクチュエータの発生する力が加算されて、大きな力を発生することができる。また、積層量を調整することで圧電アクチュエータが発生する力を任意に制御することもできる。
よって、組織破壊の防止が必要な生体試料を対象とするに好適な力をかけることができる。 The second aspect of the present invention is defined as follows. That is,
In the ink jet head defined in the first aspect of the present invention, the sheet-like piezoelectric actuator is multilayered.
According to the head of the second aspect defined in this way, even if the force generated by the piezoelectric actuator of each layer is small, the force generated by the piezoelectric actuator of each layer is added by laminating them, A large force can be generated. Further, the force generated by the piezoelectric actuator can be arbitrarily controlled by adjusting the stacking amount.
Therefore, it is possible to apply a force suitable for targeting a biological sample that needs to prevent tissue destruction.

この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
第２の局面で規定されるインクジェットヘッドであって、前記シート状の圧電アクチュエータを折り畳んで多層にする。
このように規定される第３の局面のヘッドによれば、圧電アクチュエータを一枚ものとしてこれを折り畳むことで多層の圧電アクチュエータを得られるので、部品点数が少なくなる。よって、安価なヘッドの提供が可能となる。
この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面で規定されるインクジェットヘッドであって、前記高分子材料はP(VDF/TrFE)ポリフッ化ビニリデン・トリフロロエチレンであることを特徴とする。
このようにすると、高分子材料は溶媒に溶解して塗布可能となり、容易に積層させることが可能となる。
この発明の第５の局面は次のように規定される。即ち、
第２の局面で規定されるインクジェットヘッドであって、前記高分子圧電体の積層は、前記振動板の表面に、前記高分子材料を溶媒に溶解した溶液をスピンコート法により形成したことを特徴とする。
このようにすると、容易に高分子材料の薄膜を形成することが可能となる。 The third aspect of the present invention is defined as follows. That is,
In the inkjet head defined in the second aspect, the sheet-like piezoelectric actuator is folded into a multilayer.
According to the head of the third aspect defined as described above, a multilayer piezoelectric actuator can be obtained by folding a single piezoelectric actuator, so that the number of parts is reduced. Therefore, an inexpensive head can be provided.
The fourth aspect of the present invention is defined as follows. That is,
In the inkjet head defined in the first aspect, the polymer material is P (VDF / TrFE) polyvinylidene fluoride / trifluoroethylene.
In this way, the polymer material can be applied by being dissolved in a solvent, and can be easily laminated.
The fifth aspect of the present invention is defined as follows. That is,
In the inkjet head defined in the second aspect, the lamination of the polymer piezoelectric material is characterized in that a solution obtained by dissolving the polymer material in a solvent is formed on the surface of the diaphragm by a spin coating method. And
In this way, it is possible to easily form a thin film of a polymer material.

図１には、高分子材料からなる誘電体シートの両面に電極（陽極、陰極）を形成してなる圧電アクチュエータ１の伸縮動作の模式図を示す。符号３は振動板であり、シート状の圧電アクチュエータ１が折り畳まれて振動板３の上面に積層されている。圧電アクチュエータ１は図示した方向に伸縮しており、この方向は振動板３の面方向に平行である。
なお、図２に示すように、圧電アクチュエータ１の伸縮方向を振動板３に対して直交させてもよい。
更には、図３に示すように、誘電体の伸縮方向を圧電アクチュエータ５の厚さ方向とすることもできる。この場合、圧電アクチュエータ５はその厚さ方向に変形し、もって振動板３を振動させる。
図１〜図３の例では、一枚ものの圧電アクチュエータを折り曲げて多層とし、各層が変形するときに生じる力を合算させている。勿論、独立したシート状の圧電アクチュエータを多層に積層してもよい。 FIG. 1 shows a schematic diagram of an expansion / contraction operation of a piezoelectric actuator 1 in which electrodes (anode, cathode) are formed on both surfaces of a dielectric sheet made of a polymer material. Reference numeral 3 denotes a diaphragm, and the sheet-like piezoelectric actuator 1 is folded and laminated on the upper surface of the diaphragm 3. The piezoelectric actuator 1 expands and contracts in the illustrated direction, and this direction is parallel to the surface direction of the diaphragm 3.
As shown in FIG. 2, the expansion / contraction direction of the piezoelectric actuator 1 may be orthogonal to the diaphragm 3.
Furthermore, as shown in FIG. 3, the expansion / contraction direction of the dielectric can be the thickness direction of the piezoelectric actuator 5. In this case, the piezoelectric actuator 5 is deformed in the thickness direction, thereby vibrating the diaphragm 3.
In the example of FIGS. 1 to 3, a single piezoelectric actuator is bent into multiple layers, and the forces generated when each layer is deformed are added together. Of course, independent sheet-like piezoelectric actuators may be laminated in multiple layers.

以下、この発明の実施例の説明をする。
図４にこの発明の実施例のヘッド１０の断面図を示す。図５は同じくヘッド１０の分解斜視図であり、図６は同じくヘッド１０の平面図である。
実施例のヘッド１０は基体２０、振動板３０及び圧電アクチュエータ４０から構成される。
基体２０はその表面に液体試料が流通する液体流路２１を有する。液体流路２１は基体表面のほぼ中央部分で幅広に形成されている。この幅広部分が圧力室２３となり、ここで試料（液体）に対して正圧、負圧がかけられる。符号２５は液体試料の供給ポートであり、図示しない試料供給系へ接続される。符号２６は吐出ノズルである。吐出ノズル２６から吐出される試料は液滴を形成する。この液滴は、ノズル径、試料の吐出速度、試料の表面張力により規定される。 Examples of the present invention will be described below.
FIG. 4 is a sectional view of the head 10 according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is an exploded perspective view of the head 10, and FIG. 6 is a plan view of the head 10.
The head 10 according to the embodiment includes a base 20, a diaphragm 30 and a piezoelectric actuator 40.
The substrate 20 has a liquid channel 21 through which a liquid sample flows on its surface. The liquid flow path 21 is formed wide at a substantially central portion of the substrate surface. This wide part becomes the pressure chamber 23, and a positive pressure and a negative pressure are applied to the sample (liquid) here. Reference numeral 25 denotes a liquid sample supply port, which is connected to a sample supply system (not shown). Reference numeral 26 denotes a discharge nozzle. The sample discharged from the discharge nozzle 26 forms droplets. This droplet is defined by the nozzle diameter, the discharge speed of the sample, and the surface tension of the sample.

かかる基体２０の形成材料は特に制限されるものではないが、化学的に安定で耐薬品性の高い高分子材料とすることが好ましい。高分子材料は焼却可能であるため、廃棄が容易であり、また廃棄にかかるコストを削減できる。高分子材料は透明であることが好ましい。試料の流通を目視で確認できるからである。かかる高分子材料として、ＰＳＦ（ポリサルホン）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ポリイミド、ポリアミド等を挙げることができる。
基体２０の製造方法も任意に選択できる。この実施例では、転写法により液体流路２１を備えた基体を形成している。ここに転写法とは微細な突起を形成した金型を前記熱可塑性樹脂に熱圧着することで、金型の突起を転写するナノインプリント法による製造方法とすることも可能である。
バルクの材料から液体流路２１を切削形成して基体２０とすることも可能である。
また基体２０は型成形よっても形成可能である。 The material for forming the substrate 20 is not particularly limited, but is preferably a polymer material that is chemically stable and has high chemical resistance. Since the polymer material can be incinerated, it can be easily discarded, and the cost for disposal can be reduced. The polymer material is preferably transparent. This is because the distribution of the sample can be visually confirmed. Examples of such a polymer material include PSF (polysulfone), PES (polyethersulfone), PC (polycarbonate), polyimide, and polyamide.
The manufacturing method of the base 20 can also be arbitrarily selected. In this embodiment, a substrate provided with the liquid channel 21 is formed by a transfer method. Here, the transfer method may be a manufacturing method by a nanoimprint method in which a mold having fine protrusions is thermocompression bonded to the thermoplastic resin to transfer the mold protrusions.
It is also possible to form the substrate 20 by cutting the liquid flow path 21 from a bulk material.
The substrate 20 can also be formed by mold forming.

振動板３０は基体２０の全表面を被覆するように基体２０の表面へ積層される。振動板３０と基体２０の表面との接合は、接着剤若しくは高周波溶着による。振動板３０は基体２０の表面へ積層されて、少なくともその流路２１の圧力室２３を被覆できればよい。
この振動板３０の成形材料も特に制限されるものではないが、化学的な安定で耐薬品性の高い高分子材料とすることが好ましい。高分子材料は焼却可能であるため、廃棄が容易であり、また廃棄にかかるコストを削減できる。高分子材料は透明であることが好ましい。試料の流通を目視で確認できるからである。かかる高分子材料として、ＰＳＦ（ポリサルホン）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ポリイミド、ポリアミド等を挙げることができる。 The diaphragm 30 is laminated on the surface of the base 20 so as to cover the entire surface of the base 20. The diaphragm 30 and the surface of the substrate 20 are joined by an adhesive or high frequency welding. The diaphragm 30 may be laminated on the surface of the base body 20 so as to cover at least the pressure chamber 23 of the flow path 21.
The molding material of the diaphragm 30 is not particularly limited, but is preferably a polymer material that is chemically stable and has high chemical resistance. Since the polymer material can be incinerated, it can be easily discarded, and the cost for disposal can be reduced. The polymer material is preferably transparent. This is because the distribution of the sample can be visually confirmed. Examples of such a polymer material include PSF (polysulfone), PES (polyethersulfone), PC (polycarbonate), polyimide, and polyamide.

次に圧電アクチュエータ４０について説明する。
この実施例ではシート状の圧電アクチュエータ４０を折り畳んで振動板３０へ接着により固定している。この圧電アクチュエータ４０は振動板３０において基体２０の圧力室２３に対応する部分に配置される。圧力室２３からみたときその重心位置と圧電アクチュエータ４０の重心位置とが一致するように、圧電アクチュエータ４０の取付け位置を決定することが好ましい。また、圧力室２３の幅Ｂ０に対して圧電アクチュエータ４０の幅Ｂ１を６０〜１００％とすることが好ましい。更に好ましくは８０〜９０％であり、更に更に好ましくはほぼ８５％である。Ｂ１／Ｂ０の比が６０％未満若しくは１００％を超えると圧電アクチュエータ４０の変形が効率よく振動板３０の変形（振動）に変換されない。 Next, the piezoelectric actuator 40 will be described.
In this embodiment, the sheet-like piezoelectric actuator 40 is folded and fixed to the diaphragm 30 by adhesion. The piezoelectric actuator 40 is disposed in a portion of the diaphragm 30 corresponding to the pressure chamber 23 of the base body 20. It is preferable to determine the mounting position of the piezoelectric actuator 40 so that the position of the center of gravity coincides with the position of the center of gravity of the piezoelectric actuator 40 when viewed from the pressure chamber 23. The width B1 of the piezoelectric actuator 40 is preferably 60 to 100% with respect to the width B0 of the pressure chamber 23. More preferably, it is 80 to 90%, still more preferably about 85%. If the ratio of B1 / B0 is less than 60% or exceeds 100%, the deformation of the piezoelectric actuator 40 is not efficiently converted into the deformation (vibration) of the diaphragm 30.

この実施例の圧電アクチュエータ４０は次のようにして形成される。
透明のＩＴＯ付きダミーシート上に高分子圧電体を鋳造法で厚み１０μｍに成膜する。より具体的には、粉末のフッ化ビニリデン・三フッ化ビニリデン共重合体Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）を溶媒（ＭＥＫ：メチルエチルケトン）に１〜２％（重量比）で溶解し、上記ダミーシートの上にスピンコート塗布する。その後溶媒をドライアップし、薄いＰ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）膜を形成する。膜厚が１０μｍになるまで、スピンコート塗布とドライアップを繰り返す。
このようにして形成された高分子圧電体膜の表面全体へ蒸着又はスパッタによりＡｕ膜を１００Åの膜厚で形成する。このＡｕ膜は電極となる。Ａｕの他にＡｇ若しくはＡｌ膜、又はこれらの合金膜を高分子圧電体膜の表面へ形成することもできる。
Ａｕ膜の上にＳｉ０^２からなる酸化物絶縁体保護膜４７を１００Åの膜厚で形成する。 The piezoelectric actuator 40 of this embodiment is formed as follows.
A polymer piezoelectric material is formed into a film with a thickness of 10 μm by a casting method on a transparent dummy sheet with ITO. More specifically, powdery vinylidene fluoride / vinylidene trifluoride copolymer P (VDF / TrFE) is dissolved in a solvent (MEK: methyl ethyl ketone) at 1 to 2% (weight ratio), Apply spin coat. Thereafter, the solvent is dried up to form a thin P (VDF / TrFE) film. Spin coating and drying are repeated until the film thickness reaches 10 μm.
An Au film having a thickness of 100 mm is formed on the entire surface of the polymer piezoelectric film thus formed by vapor deposition or sputtering. This Au film becomes an electrode. In addition to Au, an Ag or Al film or an alloy film thereof can be formed on the surface of the polymer piezoelectric film.
An oxide insulator protective film 47 made of Si0 ² on the Au film is formed in a thickness of 100 Å.

このようにして得られた積層体を１４０℃で２時間、熱処理する。これにより、高分子材料（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））が再結晶化する。
次に、熱処理の完了した積層体をＰ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）の坑電界４００ｋＶ／ｃｍを越える電界、例えば１０μｍの膜圧の場合は、４００Ｖ以上の電界を印加しでポーリング処理する。これにより、圧電体として分極処理が行われる
次に、ポーリング処理の完了した積層体へダミーシート側からレーザを照射しアブレーションを発生させる。レーザの照射条件は１０^５〜１０^８Ｗである。これにより、ダミーシートからＩＴＯ層が分離される。 The laminated body thus obtained is heat-treated at 140 ° C. for 2 hours. Thereby, the polymer material (P (VDF / TrFE)) is recrystallized.
Next, in the case of an electric field exceeding 400 kV / cm of the electric field of P (VDF / TrFE), for example, a film pressure of 10 μm, the laminated body after the heat treatment is subjected to a poling process by applying an electric field of 400 V or more. As a result, the polarization process is performed as the piezoelectric body. Next, the laser beam is irradiated from the dummy sheet side to the laminated body in which the polling process has been completed to generate ablation. The laser irradiation conditions are 10 ⁵ to 10 ⁸ W. Thereby, the ITO layer is separated from the dummy sheet.

以上より、図７に示すシート状の圧電アクチュエータ４０が得られる。図７において、符号４１はＩＴＯ（下部電極）、符号４３は誘電体シートとしての高分子圧電体層、符号４５はＡｕ膜（上部電極）及び符号４７は絶縁保護膜を示す。この実施例の圧電アクチュエータ４０は透明である。その結果、ヘッド１の各構成要素が全て透明となり、試料の流れを目視で確認できる。
シート状の圧電アクチュエータ４０は図４のように折り畳まれて、振動板３０の所定の位置に接合される。
なお、電圧アクチュエータ４０のＩＴＯ膜４１とＡｕ膜４５は制御部へ接続されて、電圧調整がなされる。 From the above, the sheet-like piezoelectric actuator 40 shown in FIG. 7 is obtained. In FIG. 7, reference numeral 41 denotes ITO (lower electrode), reference numeral 43 denotes a polymer piezoelectric layer as a dielectric sheet, reference numeral 45 denotes an Au film (upper electrode), and reference numeral 47 denotes an insulating protective film. The piezoelectric actuator 40 of this embodiment is transparent. As a result, all the constituent elements of the head 1 become transparent, and the flow of the sample can be visually confirmed.
The sheet-like piezoelectric actuator 40 is folded as shown in FIG. 4 and joined to a predetermined position of the diaphragm 30.
The ITO film 41 and the Au film 45 of the voltage actuator 40 are connected to the control unit and voltage adjustment is performed.

図８及び図９は、電圧アクチュエータ４０へ印加する電圧と高分子圧電体の伸縮の関係を示す。図８及び図９から明らかなとおり、下部電極４１に対して上部電極４５の電圧を高くすると、高分子圧電体が充電されて当該高分子圧電体はその体積が増大してｄ３１方向へ伸びる。その結果、振動板３０は、図９に示すとおり、上側へ変形し圧力室２３を負圧にする。
このとき、試料が供給ポート２５から圧力室２３へ取り込まれる
他方、下部電極４１に対して上部電極４５の電圧を低くすると、高分子圧電体が放電されて当該高分子圧電体はその体積が減少しｄ３１方向へ縮む。その結果、振動板３０は、図９に示すとおり、下側へ変形し圧力室２３を加圧する。
これにより、圧力室２３に存在していた試料が吐出ノズルから吐出される。 8 and 9 show the relationship between the voltage applied to the voltage actuator 40 and the expansion and contraction of the polymer piezoelectric material. As is apparent from FIGS. 8 and 9, when the voltage of the upper electrode 45 is increased with respect to the lower electrode 41, the polymer piezoelectric body is charged, and the volume of the polymer piezoelectric body increases and extends in the d31 direction. As a result, as shown in FIG. 9, the vibration plate 30 is deformed upward to make the pressure chamber 23 have a negative pressure.
At this time, the sample is taken into the pressure chamber 23 from the supply port 25. On the other hand, when the voltage of the upper electrode 45 is lowered with respect to the lower electrode 41, the polymer piezoelectric body is discharged and the volume of the polymer piezoelectric body decreases. And shrink in the d31 direction. As a result, the diaphragm 30 is deformed downward to pressurize the pressure chamber 23 as shown in FIG.
As a result, the sample existing in the pressure chamber 23 is discharged from the discharge nozzle.

ここにおいて、高分子圧電体材料（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））は抗電界：４０[v/μml]、ｄ３１定数：-３８[m/m・v]、ヤング率：３〜５[GPa]、密度：１．８２[g/cm³]である。
かかる高分子圧電体材料の単層（１０μｍ）の両面へ電極層を積層してなるシート状の圧電アクチュエータ４０を振動板３０（厚さ：１０μｍ）へ接合したとき、圧力室２３で発生する力は0.013N(1.4gf)である。なお、圧電アクチュエータ４０における伸長時と伸縮時との差は0.38μｍであり、圧電アクチュエータの幅が２．５５ｍｍであるのに対し、圧力室の幅は３．００ｍｍとしている。 Here, the piezoelectric polymer material (P (VDF / TrFE)) has a coercive electric field: 40 [v / μml], d31 constant: −38 [m / m · v], Young's modulus: 3 to 5 [GPa], Density: 1.82 [g / cm ³ ].
Force generated in the pressure chamber 23 when a sheet-like piezoelectric actuator 40 formed by laminating electrode layers on both surfaces of a single layer (10 μm) of such a polymeric piezoelectric material is joined to the diaphragm 30 (thickness: 10 μm). Is 0.013N (1.4 gf). The difference between the piezoelectric actuator 40 at the time of expansion and expansion / contraction is 0.38 μm. The width of the piezoelectric actuator is 2.55 mm, while the width of the pressure chamber is 3.00 mm.

圧力室２３で発生する力1.4gfでは吐出ノズルから試料を液滴として吐出させることができない。
そこでシート状の圧電アクチュエータ４０を折り畳んで積層構造とする。その結果、各層での電圧アクチュエータの変形が重なって、圧力室２３で発生する力が大きくなる。例えば、圧電アクチュエータ４０を３回折り畳んで３層としたとき、圧力室２３に生じる力は4.2gf（単層の場合の３倍）となり、液体試料によっては吐出ノズルから液滴を吐出可能となる。
また、圧電アクチュエータ４０を１０回折り畳むと圧力室２３において１４ｇｆの力が発生するので血液等の生体試料であっても吐出ノズルから液滴を吐出させて、その分注が可能となる。 With a force of 1.4 gf generated in the pressure chamber 23, the sample cannot be discharged as droplets from the discharge nozzle.
Therefore, the sheet-like piezoelectric actuator 40 is folded to form a laminated structure. As a result, the deformation of the voltage actuator in each layer overlaps, and the force generated in the pressure chamber 23 increases. For example, when the piezoelectric actuator 40 is folded three times to form three layers, the force generated in the pressure chamber 23 is 4.2 gf (three times that in the case of a single layer), and depending on the liquid sample, droplets can be discharged from the discharge nozzle. .
Further, when the piezoelectric actuator 40 is folded ten times, a force of 14 gf is generated in the pressure chamber 23, so that even a biological sample such as blood can be discharged from a discharge nozzle and dispensed.

上記においては、圧電アクチュエータ４０を振動板３０とは別体に形成して、両者を接合している。
振動板３０の上に圧電アクチュエータを直接積層することもできる。以下に説明する。
振動板３０上に下部電極としてAu,Ag,カーボンなどを蒸着等の方法で形成する。
下部電極の上に高分子圧電体膜をスクリーン印刷、転写法、インクジェット法等の方法で形成する。このとき、高分子圧電体膜の幅は圧力室の幅より僅かに小さくする。両者の差は約８５％とすることが好ましい。
次に、高分子圧電体膜より僅かに小さい上部電極を、メタルマスク法を用いて形成する。上部電極の材料としてAu,Ag,カーボンなどを用いることができる。
上部電極の上に絶縁保護膜を形成する。
これにより単層の圧電アクチュエータの積層体を形成することができる。上記を繰り返すことにより多層の圧電アクチュエータとすることができる。
その後、積層体を熱処理し、更にポーリング処理を行なう。 In the above, the piezoelectric actuator 40 is formed separately from the diaphragm 30, and both are joined.
A piezoelectric actuator can be directly laminated on the vibration plate 30. This will be described below.
Au, Ag, carbon or the like is formed as a lower electrode on the vibration plate 30 by a method such as vapor deposition.
A polymer piezoelectric film is formed on the lower electrode by a screen printing method, a transfer method, an ink jet method or the like. At this time, the width of the polymer piezoelectric film is made slightly smaller than the width of the pressure chamber. The difference between the two is preferably about 85%.
Next, an upper electrode slightly smaller than the polymer piezoelectric film is formed using a metal mask method. Au, Ag, carbon or the like can be used as the material of the upper electrode.
An insulating protective film is formed on the upper electrode.
Thereby, a laminated body of single-layer piezoelectric actuators can be formed. By repeating the above, a multilayer piezoelectric actuator can be obtained.
Thereafter, the laminate is heat-treated and further subjected to poling treatment.

上記の例では、高分子圧電体としてフッ化ビニリデン・三フッ化ビニリデン共重合体を用いているが、フッ化ビニリデンを用いることもできる。フッ化ビニリデンの場合は、振動板に塗布後、振動板に対して圧延する必要がある。
また、上記の例では、１つの基体に１つの液体流路を備える例を説明したが、１つの基体に複数の液体流路を設け、各流路の圧力室にそれぞれ圧電アクチュエータを配設することもできる。 In the above example, a vinylidene fluoride / vinylidene trifluoride copolymer is used as the polymer piezoelectric body, but vinylidene fluoride can also be used. In the case of vinylidene fluoride, it is necessary to roll the diaphragm after application to the diaphragm.
Further, in the above example, an example in which one liquid channel is provided in one base has been described, but a plurality of liquid channels are provided in one base, and a piezoelectric actuator is provided in each pressure chamber of each flow path. You can also.

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.

図１は折り畳まれた圧電アクチュエータの伸縮動作と振動板の振動の関係を説明する図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the relationship between the expansion / contraction operation of the folded piezoelectric actuator and the vibration of the diaphragm. 図２は折り畳まれた圧電アクチュエータの伸縮動作と振動板の振動の他の関係を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining another relationship between the expansion / contraction operation of the folded piezoelectric actuator and the vibration of the diaphragm. 図３は折り畳まれた圧電アクチュエータの伸縮動作と振動板の振動の他の関係を説明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining another relationship between the expansion / contraction operation of the folded piezoelectric actuator and the vibration of the diaphragm. 図４は実施例のヘッドの構成を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the head of the embodiment. 図５は実施例のヘッドの構成を示す分解斜視図である。FIG. 5 is an exploded perspective view showing the configuration of the head of the embodiment. 図６は実施例のヘッドの平面図である。FIG. 6 is a plan view of the head of the embodiment. 図７はシート状の圧電アクチュエータの構成を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the sheet-like piezoelectric actuator. 図８は圧電アクチュエータに印加される電圧と圧力室の圧力を示すチャートである。FIG. 8 is a chart showing the voltage applied to the piezoelectric actuator and the pressure in the pressure chamber. 図９は圧力室上の振動板の変化を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing changes in the diaphragm on the pressure chamber.

Explanation of symbols

１，５，４０圧電アクチュエータ、３，３０振動板、１０ヘッド、２０基体、２１液体流路、２３圧力室、４１下部電極、４３高分子圧電体層、４５上部電極 1, 5, 40 Piezoelectric actuator, 3, 30 Diaphragm, 10 head, 20 base, 21 liquid flow path, 23 pressure chamber, 41 lower electrode, 43 polymer piezoelectric layer, 45 upper electrode

Claims

An inkjet head for dispensing a liquid sample,
A substrate on which a liquid channel through which the liquid sample flows is formed on the surface;
A diaphragm that is laminated on the surface of the substrate and covers at least the flow path;
A sheet-like piezoelectric actuator that is stacked on the diaphragm and deforms the diaphragm;
The piezoelectric actuator is formed by forming electrodes on both surfaces of a dielectric sheet made of a polymer material. By controlling a voltage applied to the electrode, the piezoelectric actuator is deformed to vibrate the diaphragm, An ink jet head, wherein the liquid sample is dispensed by changing a pressure in a liquid channel.

The inkjet head according to claim 1, wherein the sheet-like piezoelectric actuator is multilayered.

The inkjet head according to claim 2, wherein the sheet-like piezoelectric actuator is folded into a multilayer.

2. The inkjet head according to claim 1, wherein the polymer material is P (VDF / TrFE) polyvinylidene fluoride / trifluoroethylene.

3. The ink jet head according to claim 2, wherein the polymer piezoelectric material is laminated by forming a solution obtained by dissolving the polymer material in a solvent on the surface of the vibration plate by a spin coating method.