JPH01500892A - 圧電動作形流体ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 圧電動作形流体ポンプ 本発明は、請求の範囲第１項の前提部にょる圧力および容量流を発生きせる装置 に関する。

殊にインキ記録器中の駆動素子としての、圧力を発生させる圧電動作形部動素子 は、一般に公知である。

そこで、西ドイツ国特許出願公開第２１６４６１４号明細誉には、圧電動作形部 動素子によってインキ室中に存在する液体が記録ノズルがら吹出されるような、 着色液で紙に記録するための記録機構を備えた記録装置が記載されている。イン キ室中の容量変化は、金属板上に座着しかつこの室中に湾曲する電気制御形圧電 セラミックスによシ惹起される。使用される圧電駆動素子は、金属板上に配置さ れている連続的に分極された圧電セラミック層からなシ、その際この金属板は対 向電極として使用される。適当な電圧インパルスを印加する場合、圧電セラミッ クスは収縮する。このセラミックスは金属板上に固定されているので、この板に は白はモーメントが作りする。したがって、板の中心部分が欣体呈中へ湾曲する ことが生じる。

直接に圧電効果により発生させることのできる長さ変化は、極めて小さい。その 上、これらの長さ変化は、絶線破壊または火花放電を、招くことなしにセラミッ クスに印加しなければならない電界強度により制限されている。さらに、印加さ れた電界強度は転極を生じてはならず、その上これらの電界強度は相応する制御 回路によシ切り換え可能でなければならない。

したがって、約２００ｖの電圧を越えないのが普通である。この場合に電界強度 は、分極と反対方向に１μｍあたり１ボルトよシも小さくなければならない。

さらに、空気中の電極間の距離は、１μｍ　／　Ｖよりも小さい。したがって、 こうして得ることのできる直接の長さ変化は、このセラミックスが完全に活性で あシかったとえば焼付被膜によって部分的にも不活性ではないと仮定して、２０ ０μｍの層厚の場合に約１％または約０．２μ口である。

この種の焼付被膜は、これまで＆重ねて焼結されたセラミックシートにおいては 、積重ね物の内部に存在するシートの縁ならびに外部に存在するシートを除去す る場合に、回避することができるにすぎない。この方法の場合、セラミックスの 機械的加工、ひいては微少亀裂の危険は、最小限にかつ縁部だけに制限すること ができる。その他の表面は、後加工なしに焼成炉からのものと同様に利用するこ とができる。

不発明の膝組は、前記憶類の襞ｉｔを、できるだけ大きな行程が生じるように＝ ｇするか、ないしは制御することである。

上記の膝組は、前記ａＩ類の装置の場合に、請求の範囲第１項の特徴部により解 決される。

本発明の有利な構成は、請求の範囲第２項〜第１２項に記載されている。

膜が圧電効果によシ励振可能な周辺範囲と、圧電効で横方向収縮によって短縮し かつその中心範囲で延長するように制御されることによシ、特に大きな行程が得 られる。この行程は、２つの作用を利用することの結果である、すなわちセラミ ックそれ自体の横方向収縮と、異なる伸びを有する隣接層複合体の湾曲とを利用 することの結果である。この横方向収縮によシ、膜の行程は層厚の減少および長 さ寸法の増大によって高めることができる。

狭範囲を互いに同心に配置して、これらの範囲が励振の際にいぼ状に湾曲する場 合、特に有利な力作用が得られる。このいぼ状湾曲は、平らな層から出発して、 空所を拡けかつ閉じる、最も小さく℃コンパクトな幾何学的形状である。この形 状は曲面法ｈｔ中心に回転対称であり、かつ平面から円墳状に立ち上がり（ｚｏ ｒｕｓｆｏｒｍｉｇｅｎ　Ｈｏｈｌｋｅｈｌｅ　）、この立上り部はレンズ状球 面に移行する。移行籾で、漸狭の湾曲状態は変化する。相応して、電極は、周辺 範ＩＷ（円形リング）が短縮し、それに対して中心範囲が延長するように配置さ れているか、ないしは相応する狭範囲は、周辺範囲（円形リング）が短縮し、そ れに対して中心範囲が延長するように分極されており、かつこれらの電極にめこ の周縁は強固に固定することができる。湾曲縁は、大体において内圧下での籐れ に一致する。

本発明のもう１つの有利な構成においては、互いに個々に独立した数個の活性化 可能な艇が共通の基板面上に配置されておシ、その原価々の膜のための制御線は 、これらの制御線によって制御する除に、望ましくない圧電効果が出現しないよ うに、基板面の非分極範囲を通る。

行程をなおさらに増大させるためには、支持層の代わシに、それぞれ圧電効果に ょシ励振可能な第ｉｌＩ＆に対して反対方向に分極されている、もう１つの圧電 効果によシ励振可能な層が配ｋｇれていてもよい。これにより、行程のほぼ倍加 が得られる。

本発明による躯勤累子を用いれは、特に有効でかつ簡単に制御可能なポンプ装置 をつくることができる。

このためには、ボンゾ通路によって互いに結合された６個の嗅が配置されてンリ 、これらの膜は第１拠が大口弁として働き、第２膜は可変の至所に所属されてお りかつ第３暎は出口弁として働くように協働する。

こうして構成された２個の制御可能なゲート弁と１個の可変の空所とを有する静 的ポンプは、たとえは人滑剤油圧ボンゾとして使用することができる。全装置は 簡単に制御することができ、かつ得ることのできる高い圧力にもかかわらず小さ く構成することができる。

さらに、この装置をスぎ一力中の音舎変換装置または圧力センサとして使用する ことも可能である。

本発明の実施例は図面に示されておシ、かつ次にこれを例示的に詳説する。

第１図は内圧下での膜板の変形と、付与される湾曲振状態の本発明による膜を示 し、第４図は互いに結合された３個の暎からなる静的ポンプを平面図で示し、第 ５図は第４図による静的ポンプを断面図で示し、第６図は本発明による装置の層 構造の略示断面図を示し第７図は記録ノズルとして共通の基板上に配置された多 数の＠を有するインキ記録装置用の記録ヘッドの略図である。

第２図および第６図に図示されているような圧電セラミックスからなるプレーナ 形変換器は、一方向に連続的に分極された、圧電効果によ）励振可能な圧電セラ ミックスからなる層１と、この励振可能な層と強固に結合された、たとえばニッ ケルからなる支持ＦｆＩＩ２とからなる。こうして形成されたこの電気的に制御 可能な膜は、相応する電極３，４によシ制御され、その際支持層２は連続するア ース電極として使用され、また固有の制御電極は周辺制御電極３と中心制御電極 ４とからなる。これらの固有の制御電極３および４は、互いに同心に配置された 円形面ないしは円形リング面の形の膜を決定する。電極３および４を相応に制御 することによシ、この膜は、円形リング電極３がその発生された電界によってリ ング電極３の範囲内で圧電セラミック層１を収縮させかつ電極４の範囲内で圧電 セラミック層１の伸びを生じる揚台に、この膜は作業方向に第２図に図示された 形に湾曲する。

このことを、次に第１図につぎ詳説する。

平らな層から出発して、僅かな曲率しか必要とせずかつ空所を拡げかつ閉じる、 最も小ざくてコンパクトな幾何学的な形状は、いぼ形またはドーム状の湾曲であ る。この種の形状は曲面法線を中心に回転対称であり、かつ平面から円環状に立 ち上が？）　（Ｈｏｈｌｋｅｈｌｇ　）、この立ち上が９部はレンズ状琢面部（ 移行する。

ところで、この種の理想的形状は、平らな弾性膜を均一な内圧にさらすことによ りつくることができる。

これによ−り、ｇｉｂ図に示された勾配曲線と第１ｃ図による曲率曲線とを有す る、第１ａ図の左側に図示された形状が得られ、その際横座標は膜面の半径に所 属している。

ところで、不発明によれば、この理想的ないぼ形を得るために、制御電極３およ び４は圧電効果により励振可能な層１およびアース電極として使用される支持層 ２と関連して、膨れる際に近似的にこの理想形状が生じるように構成されている 。

この目的のために、円形外側電極３は膜の外側湾曲範囲内に配置されておシ、か つ該電極にはこの湾曲範囲内の圧電層が収縮するような電界が印加される。また 、電極３に対して同心に配置された内側電極４には圧電セラミックＩ１１の中心 範囲が伸びるような電界が印加される。こねによシ、２つの効果、すなわちセラ ミックス自体の横方向収縮と、異なる伸びを有する隣接層の複合体の湾曲とが同 時に利用される。平らな層がこのように湾曲されるまでの自軍半径は、如何なる 薄さに層を製造することができるのかによシ、釣上１ｍ〜０．４ｍである。とこ ろで、電極面積の相互比は、第１ａ図の所望形状が近似的に得られるように寸法 決めされている。このことにより、第１ｂ図による勾配と、所属する第１ｃ図に よる曲率とが得られる（第１図の右側）。

第２図〜第５図に図示されているように、圧電セラミックスからなるこの種のプ レーナ形変換器を用いて、制御可能な２個のデート弁ＳＥ＆よひＳＡと、可変の 中空室Ｈとを壱”する静的ポンプを構成することができる。この目的のために、 連続する基板面１上には３つのｌ［％ｓＥ、Ｈ，ＳＡが構成されている。基板Ａ とその所属する支持層２とを担持する担持層Ｔ中には、ボンプ通路Ｐが構成され ている。このポンプ通路Ｐは、流体溜め■（第４図）と接続している。このポン プ通路中には、大口弁ＳＥの範囲内に横方向リブＱが形成されており、この横方 向リブには、未励振状態で圧電セラミックス１と支持＃２とからなる膜が当接し 、ひいてはこの通路を閉鎖する。第２図に相当する膜の励振状態で、この膜はい ぼ状に持ち上がり、ひいては通路Ｐを開放する。

横方向リブＱを有する大口弁ＳＥの場合と同じ構造は、当所の横方向リブＯを有 する出口弁ＳＡの場合にも生じる。入口弁ＳＥと出口弁ＳＡとの間の、中央が拡 張された中空室範囲ＰＲを有するポンプ通路区分には、ポンプとして使用される 固有の＠Ｈが存在し、この膜は入口弁ＳＥおよび出口弁ＳＡの膜に相応して構成 されている。ところで、第４図および第５図の場合のように構成されたポンプは 、有利にはたとえば三相交流により制御し、しかもポンプ動作の第１和でさしに よって流体が溜め■から吸込１れ、次に大口弁ＳＥ出されるように制御すること ができる。

？−）弁ＳＥ、ＳＡを閉じるためには、これらの弁を、それらの膜が予応力下に 通路Ｐｉ閉知するように制御することも可能である。これにより特に缶な閉鎖が 達成される。さらに、との予応力から作業方向を制御する場合には特に大きな作 業行程が可能である。

使用目的に応じて、ポンプ通路は別様に構成することもできる。すなわち、大口 弁ＳＥおよび出口弁ｓＡ中の横方向リブ０の代わりに、カラー状開口を配置する ことも可能であり、その際にはこのカラーそれ自体が通路を形成する。この場合 に膜面は、非励振状態では横方向リブの場合と同様にこのカラー上に当接し、こ うして出口を閉鎖する。

ところで、この種の静的ポンプに関しては、種々の使用が可能である。そこで、 これにより第７図により唯一つの基板面１上にたとえば９個の記録ノズル８１〜 Ｓ９が配置されているインキ記録ヘッドを構成することができる。これらの記録 ノズルのそれぞれは、大ロ弁ＳＲ，可変の中空室Ｈおよび出口弁ＳＡからなる。

この場合、記録ノズル８１〜Ｓ９は、溜め範囲Ｖと接続している。より多くのノ ズルｔ−Ｗする記録ヘッドを形成することができるようにするためには、その上 に配置された記録ノズルを有する数個の基板面ｙｋ積重ねて包装することも可能 である。

この種のインキ記録ヘッドの場合、記録ノズルＳ１〜Ｓ９は、機能的にはインキ 供給装置Ｖと完全に分離されている。したがって、記録ヘッドと、該記録ヘッド の前方に配置された固有の紙との間のノズルの機械的閉鎖部材は不要とすること ができる。それというのも、固有のインキ通路は出口弁ＳＡによシ、この出口弁 ＳＡが制御されない間は閉じられているからである。

というのも、不米の噴出動作の際に流動結合は生じなれないで個々の変換素子の 固有値によシ制限されるにすぎない。静的ポンプ作用によシ、気泡をインキ通路 Ｐから除去することができ、またこの場合に空の通路記載された静的ポンプは、 得られる圧力が極めて高いので貯蔵室中の潤滑剤を供給するために使用すること もできる。さらに、この種のポンプを医学の分野で血液および他の組織液を運搬 するために使用することも可能である。

また、膜単独では音響変換装置中で、たとえば高音スピーカとして使用すること ができる。さらに、この糧の装置は圧力センサとして使用することができ、その 際には圧力によって起こる振れが、電極３および４で取出すことのできる電圧を 生せしめる。

第６図に図示されているように、いわゆる制御可能なデート弁、たとえば入ロ弁 ＳＥ、出口弁ＳＡまたは制御可能な中空室Ｈに、簡単に製造することができる。

この目的のためには、基板として圧電セラミックスからなる薄いＮＩを使用し、 この階上にたとえはインキ記録ヘッドの必要な構造体を電鋳により構成する。こ の目的のために、圧電セラミック層は、電鋳による構成の前に分極化されかつ試 験される。その後に、圧電セラミック層１上に、その一方の面にたとえば銀また は金からなる制御電極３および４をフォトリングラフィにより電気的に構成し、 もう一方の面には支持層２を電気メッキによシ設ける。次に、このアース電極と して使用される支持層上に、いぼ状体の範囲内でアルミニウム（ＡＬＵ）を蒸着 し、このアルミニウムはあとで、取り囲む金属層の間からエツチング除去するこ とができ、したがっていぼ状体が通路間のクエブ０から離れることを可能とする 。次いで、フォトレジストのすき間に通路構造体を電気メッキにより構成し、こ れらの通路を通路壁Ｗに抗してエツチング可能な充填剤で充填しかつ担持７ｉＩ Ｔを設けることが続く。セラミックスの裏面には、電極の外部にもう１つの支持 層ＳＳを設けることもでき、この支持ＪｆＩＩは温度変化の場合の結合体のそシ を阻止する。この場合に、を極の接続および接触のための構造体を設けることも できる。それというのも、セラミックスはいぼ状体の範囲内で分極化されている にすぎないからである。個々の層の厚さに関しては、次の概略値が得られる：圧 電セラミック層１２００　μｍ　；電極３．４　１０　μｍ　ｐ　覚ないしは金 ；支持層２１００μｍ、ニッケル；付加的な支持層５８１００μｍ１ニッケル； 中間層ＡＬＵアルミニウム０．２μｍ；ポンプ通路の厚さく壁Ｗ）５０μの、ニ ッケル；および担持層Ｔ１００μｍ、ニッケル。

ＩＧ　Ｉ ＩＧ　５ ＩＧ　６ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）昭和６３　年１１月３０　日 特許庁長官　吉　１）　文　毅　殿 １、国際出願番号 ＰＣＴ／ＤＥ　８７１００２３０ ２、発明の名称 圧電動作形流体ポンプ ３、特許出願人 名　称　ジ４メンス　アクテエンゲゼルシャフト４、代理人 住所　〒１００東京都千代田区丸の内３丁目３番１号昭和６３年２月１７日 請求の範囲 １．　圧電効果により励振可能な第１Ｎｋ（１）と、こび容量の流れを発生きせ る装置において、銀膜が圧電効果により励振可能な周辺範囲（３）と、圧電効果 に囲（３）内で横方向収縮によυ短縮しかつその中心範囲（４）内で伸びにより 延長するように制御されることを特徴とする、圧力および容量流を発生させる装 置。

２、圧電効果によシ励振可能な、一方の方向に連続的に分極された層（１）が、 その一方の面に連続するアース電極（２）ｔｌＮし、かつそのもう一方の面に周 辺範囲に所属する第１制御電極（３）および中心範囲に所属する第２制御電極（ ４）を有し、その除、周辺範囲と中心範囲には制御のために典なる電界が印加さ れる、請求の範囲第１項記載の装置。

６、　圧電効果によシ励振可能な層（１）が、その一方の面に連続するアース電 極（２）を舊し、かつ七のもう一方の面に共通の制御電極を有し、その除周辺範 囲と中心範囲とは、異なり℃分極されている、請求の範囲第１項記載の装置。

４、膜（３，４）の活性化可能な範囲が互いに同心国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　Ｔ）！Ｅ　ＩＮＴＥＲ）ＪＡＴＺＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲ ＥＰ◇ＲＴ　ＯＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧電効果により励振可能な第１層（１）と、この励振可能な層と強固に結合 された支持層（２）とからなる電気的に制御可能な膜を用いて、圧力および容量 の流れを発生させる装置において、該膜が圧電効果により励振可能な周辺範囲（ ５）と、圧電効果により励振可能な中心範囲（４）とを有し、これらの範囲は、 膜の変位を形成させるために、膜がその周辺範囲（３）内で横方向収縮により短 縮しかつその中心範囲（４）内で延長するように制御されることを特徴とする、 圧力および容量流を発生させる装置。 ２．圧電効果により励振可能な、一方の方向に連続的に分極された層（１）が、 その一方の面に連続するアース電極（２）を有し、かつそのもう一方の面に周辺 範囲に所属する第１制御電極（３）および中心範囲に所属する第２制御電極（４ ）を有し、その際、周辺範囲と中心範囲には制御のために異なる電界が印加され る、請求の範囲第１項記載の装置。 ３．圧電効果により励振可能な層（１）が、その一方の面に連続するアース電極 （２）を有し、かつそのもう一方の面に共通の制御電極を有し、その際周辺範囲 と中心範囲とは、異なつて分極されている、請求の範囲第１項記載の装置。 ４．膜（３，４）の活性化可能な範囲が互いに同心に配置されているので、これ らの範囲は励振の際にドーム状に湾曲する、請求の範囲第１項から第３項までの いずれか１項記載の装置。 ５．互いに個々に独立して活性化可能な数個の膜範囲が、共通の基板面上に配置 されている、請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項記載の装置。 ６．個々の膜範囲のための制御線が、基板面の非分極範囲を通る、請求の範囲第 ５項記載の装置。 ７．支持層（２）の代わりに、もう１つの圧電効果により励振可能な層が配置さ れており、この層はそれぞれ圧電効果により励振可能な第１層に対して反対の方 向に分極されている、請求の範囲第１項から第６項１でのいずれか１項記載の装 置。 ８．該装置が、２個の制御可能なダート弁（ＳＥ，ＳＡ）と１個の可変の空所（ Ｈ）とを有する静的ポンプとして構成されており、その際互いに結合された３個 の膜は、第１膜が入口弁（Ｅ）として働き、第２膜が可変の空所（Ｈ）に所属し ておりかつ第３膜が出口弁（ＳＡ）として働くように協働する、請求の範囲第１ 項から第７項までのいずれか１項記載の装置。 ９．該装置が、音響変換装置として使用される、請求の範囲第１項から第８項ま でのいずれか１項記載の装置。 １０．該装置が、圧力センサとして構成されている、請求の範囲第１項から第８ 項までのいずれか１項記載の装置。 １１．個々の膜範囲が、三相交流の個々の相により制御される、請求の範囲第８ 項記載の装置。 １２．膜は、該膜がその作業方向と反対方向に湾曲し、こうして初応力下に当接 する、請求の範囲第１項から第１１項までのいずれか１項記載の装置。