JP2733766B2 - 圧電ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ほぼ平行に間隔をおいて互いに配置され両
側に電気的接触部が設けられた圧電セラミック部品によ
って形成されたポンプ通路を備え、前記圧電セラミック
部品は前記電気的接触部に印加される電圧によって作ら
れる電界に対して平行な分極方向を有するように分極さ
れ、前記圧電セラミック部品の間の空間は閉鎖手段によ
って覆われる、特にインクモザイク記録装置に適する圧
電ポンプに関する。 〔従来の技術〕 この種の多通路形ポンプはインクモザイク記録装置用
の圧電駆動される記録ヘッドとして使用される。この多
通路形ポンプにおいては、並列配置されて両側を覆われ
た圧電セラミック部品によってインク通路が形成され、
このインク通路が直接インクモザイク記録装置用の記録
ノズルを構成する。このような多通路形ポンプはドイツ
連邦共和国特許出願公開第3306098号明細書によって公
知である。圧電セラミック部品は両側が電気的に接触さ
れる。このような装置においては、インク通路を画成す
る圧電セラミック部品は、圧電変形によって記録液体を
一滴ずつ噴射することのできる駆動要素を直接構成す
る。その場合、電気的接触部は、少なくとも一方は直接
金属から構成することができかつ共通電極として使うこ
とができるカバーに対してほぼ平行に位置している。 〔発明が解決しようとする問題点〕 この公知のマトリックス通路においては、電圧を印加
すると、インク通路の容積変化を惹き起こすために、圧
電セラミック部品の二つの次元（横方向次元）が協働す
る。しかしながら、第３の次元（縦方向次元）は他の両
次元に反対に作用する。従って、おおざっぱに言うと、
結果としては正味容積変化は＋２−１＝＋１となる。 さらに、上述した特許出願公開明細書に記載されてい
る実施例の少なくとも一部分においては、記録液は電気
的接触部と直接電気的に接触しており、それゆえ記録液
は良電気絶縁特性および高電気絶縁破壊強度（1kV/mmに
等しいかそれよりも大きい）を有さねばならない。その
ために、使用される記録液の選択が強く制限される。水
分を含有する全ての記録液はこの種のシステムには使用
できない。 本発明は、簡単な方法によってポンプ作用が著しく高
められ、しかも長期間に亘ってそのポンプ作用が変化せ
ずに維持されるような圧電ポンプを提供することを目的
とする。さらに、多数の種々の記録液を使用可能にする
ものである。 〔問題点を解決するための手段〕 このような目的を達成するために、本発明は、冒頭に
記載した圧電ポンプにおいて、電気的接触部が圧電セラ
ミック部品の間の空間を覆う閉鎖手段に対してほぼ垂直
に配置されることを特徴とする。 〔作用および発明の効果〕 本発明によるポンプにおいては、圧電セラミック部品
の電気的接触部はプレートによって有利に構成すること
のできる閉鎖手段に対して垂直に位置する。このように
して電気的に接触された例えば直方体状の圧電セラミッ
ク部品に電圧を印加すると、その長さおよび高さが収縮
し、その幅が伸長する。２個のこのような圧電セラミッ
ク部品によって画成されたポンプ通路は従って低く、狭
くかつ短くなる。それゆえ、圧電セラミック部品の３つ
の全ての次元は閉鎖されたポンプ容積を縮小させるため
に協働する。従って、本発明によるポンプは、またおお
ざっぱに言うと、＋１の有効性を有する公知のポンプに
対して、＋３の有効性を有している。 〔発明の実施態様〕 本発明の実施態様においては、ポンプ通路内に位置す
る接触部は同一極性を有する。従って、ポンピングすべ
き記録液には電圧が印加されず、それゆえ絶縁性が悪い
かまたは導電性の記録液を使用可能となる。 ポンプには幾つかの主要な利点が盛り込まれている。
すなわち、構造を極端に小形化するために、ポンプ通路
自信の開口部がノズルとして使われ得る。さらに、この
ような構成によって、圧電セラミック部品からポンピン
グすべき記録液体への特に良好な力伝達が得られ、しか
も、例えば130Vという比較的低い励起電圧を用いて動作
させることができるにも拘わらず、高い信頼性が得られ
る、すなわち、惹き起こされた容積変化は液滴容積より
も大きい。印加される電圧パルスの振幅または時間を変
えることにより、液滴の大きさを簡単に変えることがで
きる。さらに、この構造においては、閉じ込められた空
気を素早くかつ確実にポンプ通路から排除することがで
きる。 このような全ての利点は、本発明によるポンプを種々
の適用領域に使用することを可能にする。この種の多通
路形ポンプは、例えば、文字数字符号や図形を記録する
ためにインクモザイク記録装置の記録ヘッドとして使用
することができる。さらに、本発明によるポンプは化学
分析における微量配量装置（マイクロピペット）として
使用することもできる。さらに、本発明によるポンプは
高分解能液体クロマトグラフまたは麻酔用のハロタン気
化器において液体配量するために使用することができ
る。 本発明の実施態様においては、圧電セラミック部品に
おける分極方向は電界と同じ方向を有する。これによっ
て、励起のために必要な電圧パルスにより圧電セラミッ
ク部品に減極が惹き起こされないことが保証される。本
発明によるポンプにおいては、圧電セラミック部品の分
極はポンプが完成した後に行えばよく、このことは後の
励起と同じ種類の電圧パルスによって、できるだけ高電
圧振幅を有する電圧パルスによって達成することができ
るという大きな利点が奏される。本発明によるポンプの
他の利点は、励起の際に１つの電圧パルスの印加によっ
て通路容積が縮小されることである。静止状態において
は、すなわち、圧電セラミックが短縮されている場合に
は、ポンプは大きな通路容積を有している。電圧が分極
方向に印加された場合にだけ、液滴が噴射される。圧電
セラミックはそれ故励起のために必要な短い電圧パルス
の期間だけ機械的に負荷を受け、その結果高寿命が得ら
れる。無電圧状態のポンプは静止状態にあるので、停止
時に液滴の噴射を阻止しなければならない措置を講ずる
ことなく、本発明によるポンプを備えたシステムは簡単
に停止させることができる。電圧パルスが短いので、同
様に材料のクリープは確実に回避される。 本発明の実施態様においては、ポンプ通路はその後端
が閉鎖され、かつ、ポンプ通路と交差する溝がこのポン
プ通路を液体容器に連通させる。これによって、出口方
向へのポンプ作用はさらに強化される。 本発明によるポンプは、先ずほぼ直方体状の圧電セラ
ミック部品から２つの直方体表面に対してほぼ平行に位
置する１つの溝が形成されることによって有利に製造す
ることができる。その後、この溝の表面と直方体表面の
少なくとも一部分とは分離された電気的接触部が設けら
れる。このことは例えば直方体表面に金属被膜を設ける
ことによって行われる。カバーを用いて例えば溝が閉鎖
され、それによって所望のポンプ通路が形成される。 特に多通路形圧電ポンプの製造に対しては、特別有利
な製造方法が提案される。この場合、公知の半導体加工
技術を使用することができる。この製造方法によれば、
圧電セラミック板にその両面から例えばソーによって溝
が形成され、これらの溝は互いに位置がずらされて部分
的に重ならされる。続いて、このようにして加工された
圧電セラミック板には金属被膜が設けられる。その後、
一方の面においては溝の底部の金属被膜が除去される。
他方の面においては溝は閉鎖手段によって覆われる。 同様に、先ず、このようにして加工された圧電セラミ
ック板を大きさが所望の多通路形ポンプに相当する直方
体に切断し、その後、この直方体に閉鎖手段を取付ける
ことは有利に行うことができる。このような製造方法に
おいては、実際に１回の作業プロセスで多数の多通路形
ポンプを製造することができ、それゆえコストをかなり
削減することができる。 このようにして作られた構造体においては、或る１つ
のポンプ通路から他のポンプ通路への機械的過結合は生
じないかまたは無視し得る程小さい。なお、製造上はあ
る程度の公差が必要である。 ポンピングすべき液体に伝達されるべき必要なエネル
ギーを発生させるためには或る量の圧電材料が必要であ
るので、１つの列においてmm当たりの可能なポンプ通路
の個数は制限される。本発明の有利な実施態様において
は、分解能を高めるために、各ポンプ通路はこのポンプ
通路に対して鋭角で位置する１つの溝に連通し、それぞ
れ２つの溝がポンプ通路の出口のレベルでこれらのポン
プ通路間に１つの開口部を形成し、そしてポンプ通路の
正規の出口は閉鎖される。どんなエネルギーが１つの開
口部に所属する両ポンプ通路に供給され、そしてどの時
点にこのエネルギーが供給されるかによって、両溝がな
す角度の間に拡がる全領域を実際にカバーすることがで
きる。このために、本発明によれば、個々のポンプ通路
は開口部から出て行く液滴の方向を変化させることがで
きるように作動させられる。例えば、１つのインク通路
のみが作動させられると、液滴はこのインク通路に連通
する溝の方向へ開口部から出て行く。両インク通路が同
時にかつ同じ強さで付勢されると、液滴は実際に両溝が
なす角度の半分の角度方向へ、すなわち、インク通路の
方向に対して平行に噴射される。 本発明の実施態様においては、電気的接触部に印加さ
れる励起電圧は交流電圧を重畳される。この交流電圧に
よって、実際にインク通路内に超音波が発生される。こ
のことにより、インク通路の壁が貼り付かないという利
点が得られる。従って、特に、例えば色素を含有する液
体を使用することも可能になる。 〔実施例〕 次に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。 第３図において、１は側面に電気的接触部2,3が設け
られた圧電セラミック製直方体である。端子4,5を介し
て電圧をこの直方体１に印加することができる。矢印６
はこの直方体における分極方向を示している。この分極
方向は印加電圧によって作られる電界に対して平行であ
る。減極を回避するために、分極方向は特に電界と同方
向に向けるべきである。 第４図においては、直方体１に電圧が印加されてい
る。電圧印加によって、直方体は幅広く、平たくかつ短
くなる。 第１図および第２図には本発明によるポンプの第１実
施例が示されている。同一部分には同一符号が付されて
いる。２つの圧電直方体10,11は互いに平行に並列配置
され、上面および下面がプレート12,13によって覆われ
ている。端子14,15および16,17を介して、両直方体10,1
1には電圧を印加することができる。この状態は第２図
に示されている。この第２図から分かるように、電圧印
加によって、両直方体10,11とカバープレート12,13との
間に形成されたポンプ通路は細長く、平たくかつ短くな
り、それにより密閉容積が大幅に縮小される。電圧が印
加されないと、ポンプは静止状態にあり、液体で充填さ
れ得る。電圧、特に電圧パルスが印加されると、この容
積は全方向から突発的に締付けられる。それにより液体
に伝達されたエネルギーによって、液体は、他の措置が
採られない場合には、ポンプ通路の両端から噴射され
る。前面側への噴射効果を強化したい場合には、例えば
ポンプ通路の背後開口部を閉鎖することも可能である。
出口に達するまで液体に圧電直方体が直接作用すること
によって、比較的低い電圧パルスを用いて、良好な定量
の液滴を噴射させることができる。電圧振幅またはパル
ス幅を変えることによって、液滴量は容易にかつ確実に
調整することができる。 この簡単な実施例においても、公知のポンプに比べて
かなりの改善が得られる。本発明の枠内で、多数のこの
種の圧電セラミック製直方体を並列配置し、共通のプレ
ートによって覆うようにすることも可能である。この場
合に、重要なことは、本発明によれば、電気的接触部は
カバープレートに対して垂直に配置されることである。 他の主要な利点は第５図ないし第８図に示された実施
例から明らかになる。 第５図には上面および下面から溝21,22が切削された
圧電セラミック板20が示されている。上側の溝21と下側
の溝22とは互いにずらされて位置し、部分的に重なって
いる。このことは圧電セラミック板20の断面が示されて
いる第６図から明らかである。 同様に第６図に示されているように、他の工程におい
て、圧電セラミック板20には全表面に金属被膜が設けら
れる。この金属被膜は23で示されている。さらに、この
実施例においては、例えば下面から、溝22の底部では金
属被膜が除去されている。このことは薄いダイヤモンド
ソー刃を用いた切削によって行うことができる。さら
に、第６図には電子端子24〜28が示されている。端子24
はこの場合には全通路の共通端子として使われる。例え
ば端子24と端子25との間に電圧が印加されると、矢印30
によって示されている電界が構造体に作用する。この実
施例における利点は、圧電セラミックが製造工程の早い
時期に分極される必要がないことである。分極は多通路
形圧電ポンプの製造が完了した後に、特に大きな電圧パ
ルスを端子に印加することによって行うことができる。
従って、圧電セラミックにおける分極は、励起パルスが
印加された際に現れる電界に対して平行でかつ同方向に
なることが自動的に達成される。さらに、第６図から分
かるように、ポンプ通路は電圧パルスが印加された際に
は実際には側面からだけではなく、底部領域においても
内部に向けて縮小され、それゆえ容積変化は一層大きく
なる。さらに、ポンプ通路の上部領域においては圧電セ
ラミック材料は非常に多くの小さな動きが惹き起こさ
れ、それゆえ僅かな機械的応力が図示されていないカバ
ーに伝達されるだけである。この実施例におけるカバー
はサポータ機能を有していないという利点があるので、
そのカバーは薄く形成することができ、それゆえカバー
はこの僅かな動きに柔軟に追従することができる。 図示された実施例においては、圧電セラミックが電圧
を印加される電極25の領域において機械的に大きく変形
しても、この変形は実際には隣接する圧電セラミック領
域に殆ど伝達されない。というのは、両領域は狭い橋絡
部31によってのみ相互結合されているからである。従っ
て、クロストークは大幅に排除される。 次の第７図においては、溝と電気接触部とを備えた圧
電セラミック板の完成品が所望の多通路形ポンプの大き
さに相当する任意の直方体に切断される様子が概略的に
示されている。 第８図においては、このような直方体35が拡大して示
されている。通路の前側出口の領域では圧電セラミック
の一部分がカットされている。カバープレート36は対応
する突出部37を有している。このカバープレートは例え
ば金属で構成して、全ポンプ通路の共通電極として直接
使うことができる。圧電セラミック直方体上にこのカバ
ープレート36を取付けると、インク通路は高さ方向にお
いて一部分覆われ、それゆえ小さな出口が形成される。 さらに、カバープレート36は、ポンプ通路に対して交
差するように延在して全ポンプ通路にわたって液体容器
に連通可能にする溝38を有している。ポンプ通路の背面
は、図示されていないが、全面的にまたは部分的に閉鎖
することができる。 第９図においては、複数のポンプ通路を備えた直方体
を基本とする多通路形圧電ポンプの他の実施例が示され
ている。この通路の前側開口部は挿入物40によって閉鎖
されている。この実施例においては、カバー41はポンプ
通路に対して鋭角で延在する溝42〜47を有しており、そ
の場合に、各溝は１つのポンプ通路に液体的に連通す
る。各２つの溝42,43;44,45;46,47はカバー41において
ノズル48,49,50にそれぞれ連通する。 第10図においては、第９図に図示のポンプがカバー41
を取付けられて再び正面図にて示されている。このよう
なポンプを用いることによって分解能を著しく高めるこ
とができ、このことは特にインクモザイク記録装置用に
使用する際には極めて重要である。冒頭で既に詳細に述
べたように、mm当たりのポンプ通路の個数は任意に増や
すことができない。mm当たりのポンプ通路の個数の限界
は約４である。第11図ないし第14図に概略的に示されて
いるように、第９図および第10図に示されたような実施
例による多通路形ポンプを用いることによって、噴射さ
れる液滴の方向を変化させることができる。第11図にお
いては、このために溝42に連通するポンプ通路だけが作
動させられている。この場合には液滴はノズル48から溝
42の方向に出て行く。第12図においては、溝43に連通す
るポンプ通路だけが作動させられており、それによって
液滴はノズル48から溝43の方向に出て行く。第13図にお
いては、両ポンプ通路が同時にしかも同じ強さで作動さ
せられている。重畳効果として液滴がポンプを垂直方向
に飛翔するようになる。第14図においては、例えば或る
間隔をもって記録面51、例えば記録紙の平面が位置して
いる様子が図示されている。矢印55は両ポンプ通路が異
なった強さでかつ異なった時点にまたは異なったパルス
長でもって作動させられることによって可能となる全記
録領域を示している。 特にインクモザイク記録装置にとっては、このように
して、分解能は低いが記録速度が早い、または、分解能
は非常に大きいが記録速度が若干低いというように、選
択的に動作させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】 第１図および第２図は本発明の一実施例について電圧が
印加されていない状態と電圧が印加された状態とをそれ
ぞれ示す概略図、第３図および第４図は圧電セラミック
直方体について電圧が印加されていない状態と電圧が印
加された状態とをそれぞれ示す概略図、第５図は本発明
による多通路形ポンプの最初の製造工程を示す概略図、
第６図ないし第８図は本発明による多通路形ポンプの他
の製造工程をそれぞれ示す概略図、第９図は高分解能を
有する本発明の他の実施例を示す概略図、第10図は第９
図に示したポンプの正面図、第11図ないし第14図は噴射
される液滴の可能な噴射方向についてそれぞれ説明する
ための概略図である。 1,10,11,35……直方体、2,3……電気的接続部、4,5,14
〜17,24〜28……端子、6,30……矢印、12,13……プレー
ト、20……圧電セラミック板、21,22,38,42〜47……
溝、31……橋絡部、36……カバープレート、40……挿入
物、41……カバー、48,49,50……ノズル、51……記録
面、55……記録領域。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．ほぼ平行に間隔をおいて互いに配置され両側に電気
   的接触部が設けられた圧電セラミック部品によって形成
   されたポンプ通路を備え、前記圧電セラミック部品は分
   極方向が前記電気的接触部に印加される電圧によって作
   られる電界に対して平行な分極方向を有するように分極
   され、前記圧電セラミック部品の間の空間は閉鎖手段に
   よって覆われる圧電ポンプにおいて、前記電気的接触部
   （2,3）は前記閉鎖手段に対してほぼ垂直に配置される
   ことを特徴とする圧電ポンプ。 ２．閉鎖手段としてプレート（12,13）が使われること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電ポンプ。 ３．ポンプ通路内に位置する接触部（24）は同一極性を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
   ２項記載の圧電ポンプ。 ４．圧電セラミック部品における分極方向は電界と同じ
   方向を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第３項のいずれか１項記載の圧電ポンプ。 ５．ポンプ通路はその後端が閉鎖され、かつ、ポンプ通
   路に対して交差して延在する溝（38）を介して液体容器
   に連通することを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第４項のいずれか１項記載の圧電ポンプ。 ６．電気的接触部のための電気端子（24〜28）は液体系
   の外に位置することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第５項のいずれか１項記載の圧電ポンプ。 ７．圧電セラミック板（20）にその両面から互いに位置
   がずれていて部分的に重なる平行な溝（21,22）が形成
   され、前記圧電セラミック板（20）には金属被膜が設け
   られ、そして、一方の面においては前記溝（22）の底部
   の金属被膜が除去され、他方の面においては前記溝は閉
   鎖手段（36）によって覆われることを特徴とする圧電ポ
   ンプの製造方法。 ８．圧電セラミック板は所望の多通路形ポンプの大きさ
   に相当する直方体に切断されることを特徴とする特許請
   求の範囲第７項記載の製造方法。 ９．閉鎖手段（41）はポンプ通路毎にこのポンプ通路に
   対して鋭角で位置する１つの溝（42〜47）を有し、前記
   各溝（42〜47）は前記１つのポンプ通路に連通し、それ
   ぞれ２つの溝（42,43;44,45;46,47）がポンプ通路の出
   口のところでこれらのポンプ通路間に１つの開口部（4
   8,49,50）を形成し、前記出口は閉鎖されることを特徴
   とする圧電ポンプ。 １０．個々のポンプ通路は開口部（48〜50）から出る液
   滴の方向を変化させることができるように作動させられ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の圧電ポ
   ンプ。 １１．電気的接触部に印加される励起電圧は交流電圧を
   重畳されることを特徴とする特許請求の範囲第９項また
   は第10項記載の圧電ポンプ。