JP4604625B2 - 圧電型マイクロ流体制御器 - Google Patents
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Description
本発明は、微小な流路を流れる流体の流れ方を制御する流体制御装置として広く用いられる。
従来、微小な流路を流れる流体の流れ方を制御する流体制御装置としてはインクジェットヘッドがよく知られている。インクジェットヘッドにおいては流体を一方向のみに送液する役割をもち、この送液を行うための代表的な動力は圧力であり、流路中に圧力差が発生すると流体は圧力の高い方から低い方へ流れることは周知の原理である。そしてこの圧力差を発生させる方法として、図１２にあるように流路１５の一部を弾性的に形状が変化するダイアフラム１６によって構成して、このダイアフラム１６を圧電素子１７などにより変形させて、流路１５の入出力間で圧力差を発生させるものが知られている。
特開２００３−４６１６０号公報
しかし前記従来の方法は、流路内壁の一部を弾性的に変化するダイアフラムとして構成し、このダイアフラムが変形する方向と垂直な面上に圧電素子を貼り付け・構成する必要があり、このようにダイアフラムに圧電素子を貼り付けた上、ダイアフラムを流路内壁の一部として構成すると、このダイアフラムが構成された部分において流路の内壁が極めて壊れやすい構造となる。
そして上記課題を解決するため、本発明では、第一の基板と、この第一の基板の上面側から形成した少なくとも一つ以上の流路を有し、この上面側に第二の基板が当接されることで、これら流路が入出力部を除いて外部より遮断される流体制御器であって、上記流路の横壁の一部に平行に隣接して第一のスリットが設けられることで、流路内壁の一部を弾性的に変化するダイアフラムとして構成し、さらに少なくとも一対の第一の電極と圧電体と第二の電極で構成される圧電素子を、上記ダイアフラムの板厚方向と平行である側面上に上記流路側もしくは上記第一のスリット側のどちらかに偏在して設けられた構成とする。
本発明の流体制御器である流体ポンプは、外力によって壊れやすいダイアフラムが、外部より遮断された流路の内部に閉じこめることができるので、より安定した流体制御器とすることができる。さらに、ダイアフラムの板厚方向と平行な面に圧電素子を設けることで、上記構造を製造する過程を簡便にする。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態における流体ポンプについて、図面を参照して説明する。
以下、本発明の実施の形態における流体ポンプについて、図面を参照して説明する。
図１は本実施の形態１における流体制御装置である流体ポンプの、分解斜視図、図２は同断面図、図３は同一部拡大断面図である。
これら図１に示すように、シリコンよりなる第一の基板１の上面に流路７が構成されている。この上面側にはガラスよりなる第二の基板２が当接されており上記流路７は外部へ接続される開口部８を除いて、外部から遮断されている。さらに、流路７に平行に第一のスリット９が形成されており、これによって流路７の横壁の一部が弾性的に変形するダイアフラム３が構成される。そしてさらにこのダイアフラム３の板厚方向と平行なダイアフラム側面１３上に、第一の電極４、圧電体５、第二の電極６よりなる圧電素子１４が設けられているが、この圧電素子１４が設けられる位置は図３に示すようにダイアフラム側面１３上に流路７側もしくは第一のスリット９側のどちらかに偏在して形成されている。
上記構造により、本発明の流体ポンプは、弾性的に変形するダイアフラム３が外部より遮断された領域にあるので、破壊されることが少ない。なお、第二の基板２には凹部１０が設けられており、第一の基板１に当接する際に圧電素子１４およびダイアフラム１６の変形を妨げない。また、圧電素子１４がダイアフラム側面１３に設けるため、簡便な方法でこの流体ポンプを製造することができるのである。
次に、本発明の流体ポンプの動作について図面を用いて説明する。図７および図８は圧電素子１４の第一の電極４および第二の電極６に所定の電圧を印可した様子を、それぞれ、断面図、上面図で示している。既に述べたように圧電素子１４はダイアフラム側面１３上において、流路７側に偏在して形成されている。これによって、圧電素子１４が逆圧電効果により変形した場合、ダイアフラム３とのユニモルフ構造によってダイアフラム３にはねじれ変形が生じ、図７のように、ダイアフラム３は第一のスリット９側へ変形する。圧電素子１４へ印可する電圧を交流にすると、ダイアフラム３はこの交流電圧に応じて、第一のスリット９と流路７側へ交互に変形を繰り返す。こうすることにより流路７内に流体がある場合に圧力差を流路７の両端の開口部８間で生じさせることができ、流体を流すことができるようになるのである。
このとき、圧電素子１４はダイアフラム側面１３上において流路７側へ偏在させたが、第一のスリット９側に偏在させても同じことができる。
さらに、上記例では図２のようにダイアフラム３の下部は第一の基板１へ固着されているが、図４のように空隙１２設けてダイアフラム３をより自由な変形が可能なようにすることもでき、こうすればダイアフラム３より大きく変形し、流路７内における圧力差をより大きく発生させることができるようになる。
さらに、本実施の形態の別の方法として、図５のように圧電素子が少なくとも第一の電極４と圧電体５が流路７に平行な方向でダイアフラム側面１３の中央で分割された状態で形成することもでき、こうすれば、ダイアフラム側面１３に２つの圧電素子が構成されることとなり、それぞれの圧電素子に互いに逆位相の交流電圧を加えると逆圧電効果によって逆方向へ変位するのでダイアフラム３との間で倍もフル構造を取ることができ、ダイアフラム３の変形はさらに大きなものとなる。
さらに、本実施の形態の別の方法として、図６のように、ダイアフラム側面１３上において圧電素子が少なくとも第一の電極４と圧電体５が流路７垂直な方向に分割された状態で形成することもでき、この場合は、ダイアフラム側面１３に２つの圧電素子が構成されることとなり、それぞれの圧電素子に互いに逆位相の交流電圧を加えると逆圧電効果によって逆方向へ変位するので、 図９のようにダイアフラム３を２次モードで変形させることができ、流路内で発生する圧力差に精密な勾配を設けたいときに有効である。
（実施の形態２）
実施の形態２について図面を用いて説明する。図１０は実施の形態２による流体制御装置の上面図である。実施の形態２では図に示すように第一の基板１、第二のスリット１１が第一のスリット９と流路１１を接続するように設けられている。これにより、ダイアフラム３はより自由な変形が可能となり、より大きな圧力差を流路内に発生させることができるのである。なお、第二のスリット１１が設けられたことにより、流路内の流体が第二のスリット１１側へ流れ込むこととなるるので流体の流れが滞る場合があるが、図１１のように第二のスリット１１と第一のスリット９が成す角度が鋭角になるようにすることで、ダイアフラム３が流路７側へ移動した際には流路７との接続部が狭くなるので、流体は流れ込みにくくなり、ダイアフラム３が第一のスリット９側へ変形した場合においても、第一のスリットが狭くなるので、やはり流体が流れ込みにくくなり、より安定した流体の流れを実現することができる。
実施の形態２について図面を用いて説明する。図１０は実施の形態２による流体制御装置の上面図である。実施の形態２では図に示すように第一の基板１、第二のスリット１１が第一のスリット９と流路１１を接続するように設けられている。これにより、ダイアフラム３はより自由な変形が可能となり、より大きな圧力差を流路内に発生させることができるのである。なお、第二のスリット１１が設けられたことにより、流路内の流体が第二のスリット１１側へ流れ込むこととなるるので流体の流れが滞る場合があるが、図１１のように第二のスリット１１と第一のスリット９が成す角度が鋭角になるようにすることで、ダイアフラム３が流路７側へ移動した際には流路７との接続部が狭くなるので、流体は流れ込みにくくなり、ダイアフラム３が第一のスリット９側へ変形した場合においても、第一のスリットが狭くなるので、やはり流体が流れ込みにくくなり、より安定した流体の流れを実現することができる。
以上のように本発明にかかる流体制御器では、流路の一部を構成するダイアフラムが壊れにくい構成とすることができ、流体の流れを安定して制御する流体ポンプなどに応用できる。
１ 第一の基板
２ 第二の基板
３ ダイアフラム
４ 第一の電極
５ 圧電体
６ 第二の電極
７ 流路
８ 開口部
９ 第一のスリット
１０ 凹部
１１ 第二のスリット
１２ 空隙
１３ ダイアフラム側面
１４ 圧電素子
１５ 流路
１６ ダイアフラム
１７ 圧電素子
２ 第二の基板
３ ダイアフラム
４ 第一の電極
５ 圧電体
６ 第二の電極
７ 流路
８ 開口部
９ 第一のスリット
１０ 凹部
１１ 第二のスリット
１２ 空隙
１３ ダイアフラム側面
１４ 圧電素子
１５ 流路
１６ ダイアフラム
１７ 圧電素子
Claims (6)
- 第一の基板と、この第一の基板の上面側から形成した少なくとも一つ以上の流路を有し、この上面側に第二の基板が当接されることで、これら流路が入出力部を除いて外部より遮断される流体制御器であって、上記流路の横壁に平行に第一のスリットが設けられることで、上記流路の横壁の一部を弾性的に変形するダイアフラムで構成するものとし、このダイアフラムの板厚方向に平行な側面に少なくとも一対の第一の電極と圧電体と第二の電極で構成された圧電素子が、上記側面内で上記流路側もしくは上記第一のスリット側のどちらかに偏在して設けられた、流体ポンプ。
- 第一の基板と、この第一の基板の上面側から形成した少なくとも一つ以上の流路を有し、この上面側に第二の基板が当接されることで、これら流路が入出力部を除いて外部より遮断される流体制御器であって、上記流路の横壁に平行に第一のスリットが設けられることで、上記流路の横壁の一部を弾性的に変形するダイアフラムで構成するものとし、このダイアフラムの板厚方向に平行である側面に少なくとも一対の第一の電極と圧電体と第二の電極で構成された圧電素子が、前記第一の電極と前記圧電体が前記ダイアフラムの側面の中央において流路に平行な方向で分割された流体ポンプ。
- 前記ダイアフラムの下部に空隙が設けられた、請求項１あるいは請求項２記載の流体ポンプ。
- 前記圧電素子の、前記第一の電極と前記圧電体が前記ダイアフラムの側面において流路に垂直な方向で分割された請求項１あるいは請求項２記載の流体ポンプ。
- 前記第一スリットと前記流路を接続する、第二のスリットが設けられた、請求項１あるいは請求項２記載の流体ポンプ。
- 前記第一のスリットと前記第二のスリットが構成する角度が鋭角を構成する、請求項５記載の流体ポンプ。
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-
2004
- 2004-09-22 JP JP2004275331A patent/JP4604625B2/ja not_active Expired - Fee Related
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