JPH09169110A

JPH09169110A - 圧電ポンプ

Info

Publication number: JPH09169110A
Application number: JP33073795A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Fukuoka; 修一福岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1997-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】鉛を含有するポンプ本体からなる圧電ポンプで
は、破壊靭性値が低く取り扱い時に破損し易いという問
題があった。【解決手段】内部に流体の流通通路を有するポンプ本体
と、ポンプ本体の表面に形成された圧電振動体とからな
る圧電ポンプであって、ポンプ本体が、少なくとも鉛を
含有する圧電セラミックスからなる主成分と、Ｓｉ₃Ｎ
₄、ＳｉＣのうちの少なくとも一種の添加成分とからな
り、添加成分を主成分１００重量部に対して０．５〜
５．０重量部添加含有してなるものである。ここで、圧
電振動体が少なくとも鉛を含有する圧電セラミックスを
一対の電極で挟持してなるものである。また、ポンプ本
体の流通通路の内壁面に鉛拡散防止層を形成してなるも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば流体の移動
を制御する圧電ポンプに関するものであり、例えば、イ
ンクジェットヘッド、トナー供給路等に用いられる圧電
ポンプに関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、流体ポンプとしては、流体の流通通
路が形成されたポンプ本体に圧電素子を配置して構成さ
れている。このような圧電ポンプは、圧電素子が変形す
ることによりポンプ本体の流通通路に圧力が印加され、
通路内圧力を上昇させて流体を移動させている。このよ
うな圧電ポンプが用いられたものとして、例えば、イン
クジェットがある。

【０００３】従来、インクジェットヘッドとしては、例
えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジル
コニウムのうちのいずれか一種類を主成分とするセラミ
ックスからなるポンプ本体の表面に、チタン酸ジルコン
酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスを電極により挟
持した圧電振動体を熱接合して形成したものが知られて
いる。このようなインクジェットヘッドは、駆動部とな
る圧電振動体を接着剤で張り付けた構造に比べて長期使
用による信頼性も高く、基板への力の伝達が効率よく行
われるなどの特徴を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】酸化アルミニウム、酸
化マグネシウム、酸化ジルコニウムのうちのいずれか一
種類を主成分とするセラミックスからなるポンプ本体を
用いた圧電ポンプは、ポンプ本体のセラミックスの焼成
温度が約１４００℃と高い。一方、圧電材料として用い
られるＰＺＴ系材料は焼成温度が１２００〜１３００℃
である。

【０００５】このため、ポンプ本体を約１４００℃で焼
成した後に、このポンプ本体上に電極ペーストを塗布
し、この電極ペースト上に圧電セラミックスの厚膜を形
成し、さらに、この圧電セラミックス厚膜の表面に電極
ペーストを塗布後、再度１２００〜１３００℃で、焼成
するという少なくとも２つの焼成工程を必要とするた
め、コストの増大を招いており、さらにポンプ本体と圧
電セラミックス厚膜との線膨張係数が異なることによる
圧電セラミックス厚膜の剥離などが生じ、歩留まりが悪
くなるなどの問題があった。

【０００６】このような問題点を解決するために、ポン
プ本体をＰＺＴ系材料により形成し、このポンプ本体に
電極膜、ＰＺＴ系材料による圧電厚膜、電極膜を形成
し、ポンプ本体と圧電厚膜とを一体焼成して圧電ポンプ
を製造することが考えられるが、ポンプ本体をＰＺＴ系
材料により形成したため、酸化アルミニウム、酸化マグ
ネシウム、酸化ジルコニウムなどを主成分とするポンプ
本体に比べ、機械的強度や靭性が低く、特にインクジェ
ットヘッドなどに応用するような小型な製品では、取扱
い時に破損し易く、歩留まりが悪くなるなどの問題があ
った。

【０００７】さらに、ポンプ本体の流通通路を流通する
インクにポンプ本体材料の鉛が溶出し、インクの性能を
低下させたり、環境汚染の原因となる虞があった。

【０００８】本発明は、取扱い時にポンプ本体の破損を
抑制し、歩留まりを向上することを目的とし、さらに焼
成などの製造工程を大幅に削減すること、さらにまたポ
ンプ本体から流体への鉛の漏出を防止することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電ポンプは、
内部に流体の流通通路を有するポンプ本体と、該ポンプ
本体の表面に形成された圧電振動体とからなる圧電ポン
プであって、前記ポンプ本体が、少なくとも鉛を含有す
る圧電セラミックスからなる主成分と、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓ
ｉＣのうちの少なくとも一種の添加成分とからなり、該
添加成分を前記主成分１００重量部に対して０．５〜
５．０重量部添加含有するものである。圧電振動体が少
なくとも鉛を含有する圧電セラミックスを一対の電極で
挟持してなることが望ましい。また、ポンプ本体の流通
通路の内壁面に鉛拡散防止層を形成することが望まし
い。

【００１０】このような圧電ポンプは、例えば、少なく
とも鉛を含有する圧電セラミックスと、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓ
ｉＣの少なくとも一種類を含有するセラミックスグリー
ンシートを積層して、内部に流体の流通通路を有するポ
ンプ本体成形体を形成した後、このポンプ本体成形体の
表面に、電極材料を含有する電極ペーストを塗布し、さ
らに、この電極ペーストの表面に駆動部となる少なくと
も鉛を含有する圧電セラミックス成形体を積層し、この
圧電セラミックス成形体の表面に前記電極ペーストを塗
布し、その後、これらを一体に焼成した後、流通通路の
内壁面に鉛拡散防止層を形成して製造される。

【００１１】

【作用】本発明の圧電ポンプは、一対の電極に電圧を印
加することにより圧電振動体が変形し、ポンプ本体内の
流体の流通通路に圧力が印加され、流通通路内の流体が
加圧され、流体が移動する。

【００１２】そして、ポンプ本体を少なくとも鉛を含有
する圧電セラミックス、例えばＰＺＴ系圧電材料からな
る主成分に対して、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣの少なくとも一
種を所定量添加してなるセラミックスにより形成するこ
とで、ポンプ本体の機械的強度と靭性を向上し、破損し
難くなることから歩留まり向上が可能となる。

【００１３】また、ポンプ本体の流通通路の内壁面に鉛
拡散防止層を形成することにより、鉛を含有するポンプ
本体の鉛が流通通路内の流体に漏出することを阻止する
ことができる。

【００１４】さらに、本発明の圧電ポンプでは、ポンプ
本体と圧電振動体の圧電セラミックスをいずれもＰＺＴ
系からなる圧電セラミックス材料を主成分とするセラミ
ックより構成すれば、ポンプ本体と圧電振動体とを一体
焼成することができる。

【００１５】

【実施例】本発明の圧電ポンプは、図１に示すように、
圧電振動体１と、ポンプ本体２により構成され、圧電振
動体１がポンプ本体２の上下の表面にそれぞれ形成され
ている。

【００１６】圧電振動体１は、圧電セラミックス３を一
対の電極４，５により挟持して構成されており、圧電セ
ラミックス３は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）を主成分とするペロブスカイト型複合酸化物からな
る圧電材料、例えば、ＰＺＴのＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉの元素
の一部を、Ｓｒ，Ｂａ等のアルカリ土類金属、Ｎｂ等の
周期律表第５ａ族元素、Ｂｉ，Ｓｂ等の周期律表第５ｂ
族元素、Ｎｉ等の周期律表第８族元素、Ｚｎ，Ｔｅ等に
より一部置換したもので形成されている。

【００１７】また、ポンプ本体２はＰｂを含有する圧電
セラミックス、望ましくは、上述の圧電材料を主成分と
し、該主成分１００重量部に対して、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ
Ｃのうちの少なくとも一種の粉末粒子を０．５〜５重量
部の割合、特に、１〜４重量部の割合で添加含有せしめ
た複合圧電セラミックスから構成されている。

【００１８】さらに、電極４，５は、例えば、銀、パラ
ジウム、白金、ニッケルのうちの少なくとも一種により
形成されている。

【００１９】ポンプ本体２の内部には流体の流通通路６
が形成されており、圧電振動体１は、流通通路６の上方
及び下方のポンプ本体２表面に形成されている。

【００２０】そして、ポンプ本体２の流通通路６の内壁
面には、鉛拡散防止層７が形成されている。この鉛拡散
防止層７の厚みは５０μｍ以下が好ましく、特に１０μ
ｍ以下が望ましい。この鉛拡散防止層７は、例えばフェ
ノール樹脂、メラミン樹脂のような高分子膜、或いはＮ
ｉ，Ｃｒなどの金属、ＡｌＮ，ＺｒＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，
ＳｉＣなどのセラミック絶縁膜により形成されている
が、作製上の容易性及び耐久性という点からセラミック
ス絶縁膜が特に望ましい。

【００２１】圧電振動体１間には凹部８が形成されてお
り、この凹部８の深さｄは、隣接する圧電振動体の駆動
の影響を少なくするために、圧電振動体１の一対の電極
４，５間の距離の２／３とされている。この凹部８の深
さｄは、電極４，５間の距離の１／３〜１であっても良
い。

【００２２】また、圧電振動体１は、図２に示すよう
に、ポンプ本体２の流通通路６の上方および下方に、そ
れぞれ所定間隔を置いて２組ずつ配置されている。即
ち、１つの流通通路６の上方には上流側と下流側に第１
圧電振動体１ａ，１ｃが、また下方には上流側と下流側
に第２圧電振動体１ｂ，１ｄとが所定間隔を置いて配置
されており、第１圧電振動体１ａ，１ｃと第２圧電振動
体１ｂ，１ｄとがそれぞれ別個に変位できるように構成
されており、時間をずらして流通通路６を加圧すること
ができるように構成されている。

【００２３】さらに、流体の流通通路６は、流体が逆流
することを防止するために、流通通路６の出口側のノズ
ル径が小さくされている。

【００２４】本発明の圧電ポンプの製造は、先ず、上述
したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧
電材料に対し、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣの少なくとも一種を
添加した複合圧電材料の粉末を調製し、これに微量の有
機バインダーを添加し、これを溶媒中に分散させてスラ
ーリーを作製する。このスラーリーを用いて、通常のシ
ート作製法、例えばドクターブレード法により例えば厚
さ５０μｍと１５μｍの２種類のグリーンシートを作製
する。

【００２５】次に、厚さ５０μｍのグリーンシートを２
層積層し、図３（ａ）に示すごとく、流通通路を形成す
る部分を除き、隔壁成形体１５を形成し、流通通路を形
成する部分については、電極ペーストと同じ成分で金属
が含まれない（焼成時に飛散する）ペーストを、公知の
厚膜手法、例えばスクリーン印刷、デイッピング、塗布
などして通路飛散体１７を形成し、厚み１５μｍのグリ
ーンシートを上下両面に熱圧着する。

【００２６】一方、図３（ｂ）に示すように、圧電振動
成形体１９を作製する。この圧電振動体成形体１９は、
上述したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とす
る厚み２５μｍのグリーンシートに凹部を形成し、さら
に、電極ペーストを塗布して電極成形層２１を形成後、
図３（ａ）に示した積層体上下に、積層し熱圧着してポ
ンプ成形体を作製する。

【００２７】次に、このポンプ成形体を鉛雰囲気におい
て、１１００〜１３００℃で一体焼成する。尚、このと
き、成形体の反りを防ぐために、数グラムの重りを乗せ
て、脱バイ、焼成を行う。焼成時には、金属が含まれな
いペーストは燃焼するため、流通通路６が形成されるこ
とになる。

【００２８】次に、図１に示したように、流通通路６の
内壁面に、溶媒中に溶解したＺｒあるいはＡｌなどの金
属アルコキシドを塗布し焼成することにより形成された
ＺｒＯ₂あるいはＡｌ₂Ｏ₃などの絶縁膜からなる厚さ
約１μｍの鉛拡散防止層７を形成する。

【００２９】そして、その後、電極４，５をそれぞれ外
部端子と接続し、電圧を印加して圧電振セラミックス３
を分極処理する。そのため外部端子から電極４，５に交
流電圧を印加した場合、圧電セラミックス３が変位し、
流通通路６中の流体が外に押し出されることになる。以
上のようにして本発明の圧電ポンプが作製される。

【００３０】尚、上記実施例では、圧電振動体の圧電セ
ラミックスをグリーンシートにより形成した実施例につ
いて説明したが、圧電セラミックスのペーストを塗布す
る、いわゆるスクリーン印刷による厚膜形成を行っても
よい。

【００３１】本発明の圧電ポンプは、流通通路６の一方
から流体を供給し、流通通路６の反対側から流体を噴出
する方式で、１つの流通通路６に対しそれぞれ別個に変
位できる第１圧電振動体１ａ，１ｃと第２圧電振動体１
ｂ，１ｄを持ち、これらの圧電振動体により加圧する際
に、時間差を持たせ、駆動させる。

【００３２】圧電ポンプの電圧印加方法について、図４
を用いて説明する。図４（ａ）のように、通常のパルス
電圧をＯＦＦにした後も、変位の大きさは変化し続け
ながら徐々に減衰していき（リンギング）、変位が０に
なるまでには所定の時間を要する。そこで図４（ｂ）の
ように、第１圧電振動体１ａ，１ｃと第２圧電振動体１
ｂ，１ｄへの印加パルス電圧を交互に別の位相で印加す
ることにより、図４（ｃ）のように、第１圧電振動体１
ａ，１ｃのパルス電圧のリンギングがなくなる前に、
第２圧電振動体１ｂ，１ｄのパルス電圧をＯＮにする
ことができ、連続的に変位が発生する状態にしておくこ
とができるため、流体の噴出サイクルをさらに早め、流
体噴出効率を向上することができる。

【００３３】また、本発明の圧電ポンプでは、ポンプ本
体の主成分と圧電振動体の圧電セラミックスを同一組成
の材料を用い、ポンプ本体と圧電振動体とを一体焼成す
ることにより、製造工程の簡略化と歩留り向上によるコ
ストダウンを図ることができる。

【００３４】さらに、圧電振動体が２つ以上構成された
圧電ポンプにおいて、圧電振動体１の間に凹部８を形成
することにより、隣接する圧電振動体１への干渉を防止
することができる。

【００３５】そして、流通通路６の内面に鉛拡散防止層
７を形成することにより、鉛を含むポンプ本体と圧電振
動体を同時焼成した場合でも、ポンプ本体の鉛が流通通
路６内のインクに溶出することがない。

【００３６】本発明者は、Ｐｂ_0.94Ｓｒ_0.04Ｂａ
_0.02（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_0.095（Ｎｉ_1/ ₂Ｔｅ_1/2）
_0.005Ｚｒ_0.47Ｔｉ_0.45Ｏ₃＋０．２重量％Ｎｂ₂Ｏ₅
からなる主成分１００重量部に対して、Ｓｉ₃Ｎ₄また
はＳｉＣの添加量を０〜５重量部添加含有した焼結体の
破壊靱性について、実験を行った。破壊靱性の測定は、
亀裂導入破壊試験法（ＳＥＰＢ）に従った。試料寸法は
縦３ｍｍ、横４ｍｍ、長さ３６ｍｍの角柱である。この
結果を図５に示す。

【００３７】この結果から明らかなように、Ｓｉ
₃Ｎ₄，ＳｉＣの添加量が圧電セラミックス１００重量
部に対して０．５重量部未満の場合、添加による効果が
殆ど得られず、５重量部を越えると焼結性が悪くなり逆
に破壊靭性値は大幅に低下してしまう。従って、本発明
では、ポンプ本体をＰｂを含有する圧電セラミックス主
成分１００重量部に対し、Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＣを０．５
〜５．０重量部添加含有せしめたのである。Ｓｉ
₃Ｎ₄，ＳｉＣの添加量は、１〜４重量部であることが
望ましい。特に、Ｓｉ₃Ｎ₄を添加することが望まし
く、その添加量は１．５〜２．５重量部が望ましい。

【００３８】尚、本発明では、鉛を含有する圧電セラミ
ックスからなるポンプ本体を有する圧電ポンプであれば
良く、その製造方法はどのような方法でも良い。例え
ば、上記例では、圧電振動体およびポンプ本体を一体焼
成した場合について説明したが、ポンプ本体を焼成した
後、圧電振動体を焼き付けても良く、また、圧電振動体
を接着材等により接合しても良い。圧電振動体は圧電性
を有すれば良く、セラミック以外であっても良い。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、ポンプ
本体がＰｂを含有する圧電セラミックス主成分１００重
量部に対し、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣのうち少なくとも一種
を０．５〜５．０重量部添加含有する複合セラミックス
により構成したので、ポンプ本体の破壊靭性を大きく向
上させることができ、ポンプ本体の取り扱い時の破損を
抑制することができる。さらに、ポンプ本体を圧電振動
体の圧電セラミックスと同様の圧電セラミックスを主成
分として構成すれば、ポンプ本体と圧電振動体とを同時
焼成（一回の焼成で熱接合）させることができる。ま
た、ポンプ本体の流通通路の内壁面に鉛拡散防止層を形
成することで、ポンプ本体からの鉛の漏出を阻止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電ポンプを示す斜視図である。

【図２】図１の圧電ポンプをａ−ａ線で切断した状態を
示す縦断面図である。

【図３】本発明の圧電ポンプの製造方法を示す説明図で
ある。

【図４】本発明の圧電ポンプの電圧印加とそれによる変
位との関係を示す図である。

【図５】ポンプ本体において、セラミックス主成分に対
するＳｉ₃Ｎ₄，ＳｉＣの添加量と破壊靭性値との関係
を示すグラフである。

【符号の説明】

１・・・圧電振動体４，５・・・電極２・・・ポンプ本体３・・・圧電セラミックス振動体６・・・流通通路７・・・鉛拡散防止層８・・・凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に流体の流通通路を有するポンプ本体
と、該ポンプ本体の表面に形成された圧電振動体とから
なる圧電ポンプであって、前記ポンプ本体が、少なくと
も鉛を含有する圧電セラミックスからなる主成分と、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣのうちの少なくとも一種の添加成分と
からなり、該添加成分を前記主成分１００重量部に対し
て０．５〜５．０重量部添加含有してなることを特徴と
する圧電ポンプ。
【請求項２】圧電振動体が少なくとも鉛を含有する圧電
セラミックスを一対の電極で挟持してなる請求項１記載
の圧電ポンプ。
【請求項３】ポンプ本体の流通通路の内壁面に鉛拡散防
止層を形成してなることを特徴とする請求項１記載の圧
電ポンプ。