JPS5831229B2 - 液滴噴射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液滴噴射装置に係り、例えば、パルスジェッ
ト形インクジェットノズルにおいて、その圧電素子の板
厚を薄くシ、液滴噴射効率を大幅に向上するようにした
液滴噴射装置に関するものである。

まず、この種装置の、これを要するに本発明による改良
の対象となる従来技術に係るものの一例を、第１図Ｇこ
より説明をする。

図において、１は、液滴を噴射させるためのノズル部、
２，４は、液体を前記ノズル部１に導く導管部、３は、
導管部２，４の途中に形成されたダイヤフラム部であり
、５は、流体ダイオード、６は、共通液体溜め、７は、
液体の導入管、８は、液体供給タンクであり、１０は、
駆動回路部、１１は、本体、１２は、ベース、１３は、
圧電素子である。

なお、上記の共通液体溜め６は、液滴噴射効率を高めた
り、液体の供給を円滑にするためのものであるが、上述
した本発明における噴射効率の向上に、要旨構成として
あずかるものではない。

しかして、上記のノズル部１から共通液体溜め６までは
、第１図の八に示す断面図のように、本体１１の片面に
溝部として形成し、その本体１１にベース１２を接着し
て各要素を形成しているものであり、また、ダイヤフラ
ム部３の裏側（上記断面図上面）に、圧電素子１３を接
着し、１駆動回路部１０と接続されているものである。

上記のような構成において、ノズル部１かう供給タンク
８の間に液体を充満させて、ノズル部１の表面張力と供
給タンク８の液体圧をバランスさせた状態で圧電素子１
３に電気的なパルスを印加すると、圧電素子１３が急激
Ｏこ歪み、ダイヤフラム部３、これを要するに、後述す
る如きダイヤフラム室の体積が変化して液体圧が生ずる
。

この液体圧の圧力波がノズル部１に達すると、ノズル部
１の表面張力が破れて、そのノズルから液体が粒状にな
って飛び出すものである。

以上のような液滴噴射装置において、従来は、その圧電
素子の歪み力を大きくすれば、ダイヤフラム室の変形も
大きくなるであろう、という安易な推測から、他方、圧
電素子接着時の取扱い易さや、接着剤のまわり込みや接
着層の厚さの影響を改善すること、更には表裏の電極間
の放電リークを防止することなどの目的とから、圧電素
子の厚さは、後述する如きダイヤフラムの厚さくＪｏ、
４關）の２〜３倍程度のものであった。

しかして、このような従来例の場合、多少、液体で電極
まわりが濡れたときでも電極間り、−りが生じ難く、ま
た接着剤の影響を受は難く、各ノズル間の液滴噴射特性
のバラつきが小さいなどの利点があったものである。

しかし、その一方では、圧電素子が厚くなるためＯこ、
電極間に印加しなければならない電気パルスの電圧が高
く、効率が良くない、という欠点があった。

また、高電圧発生回路とすること（こ加えて、圧電素子
は厚いために、その価格も高かったものである。

本発明は、上記のような従来技術に係るものの欠点を解
消するとともに、電気信号Ｏこ応答して液体粒子を発生
させる液滴噴射装置で、その液滴噴射効率の高い液滴噴
射装置の提供を、その目的とするものである。

本発明の特徴は、液滴を制御された大きさと方向とを保
って噴射するためのノズル部、該ノズル部まで液体を導
く導管部、液体を収納する供給タンクから上記ノズル部
の途中に結合され、印加された電気信号に応答して体積
変化を生じ液滴を前記ノズル部から噴射させる液体圧力
、駆動部とからなる液滴噴射装置において、上記液体圧
力駆動部は、電気信号により歪みを生ずる圧電素子が、
もっばら液体の隔壁を形成するダイヤフラム部に接着さ
れて構成されており、該圧電素子の厚さが当該ダイヤフ
ラムの厚さの１．８倍以下の厚さとした液滴噴射装置に
ある。

さらに詳しくは、本発明は、圧電素子Ｏこ同じ歪みを与
えた場合、ダイヤフラム室の体積変形量が最大となる圧
電素子の厚さは、ダイヤフラム厚さと等しい場合である
ことと、さらに、圧電素子の厚さが薄い程、同じ歪みを
与える電圧が低いことなどを勘案して、ダイヤフラム厚
さの１．８倍以下の薄い圧電素子を接着せしめるように
した液滴噴射装置である。

そして、このようにしたことにより、低い圧電パルスで
、大きなダイヤフラム室の体積変化が得られ、液滴の噴
射効率が大きく向上し、その駆動回路も生産性の良いも
のが所期できるようにしたものである。

次に、本発明の実施例を第２図ないし第６図Ｏこもとづ
いて説明をする。

マス、第２図は、既述のダイヤフラム部３、これを要す
るにダイヤフラム室の断面図をモデル的Ｏこ示したもの
であり、３Ａは、薄肉構成のダイヤフラム、３Ｂは、ダ
イヤフラム室であり、１１Ａは、本体、１２Ａは、ベー
ス、１３Ａは、圧電素子をそれぞれ断面で示すものであ
る。

なお、ダイヤフラム部３と圧電素子１３Ａとで、液体圧
力１駆動部を形成するものである。

しかして、このダイヤフラム室３Ｂは、例えばＳｉ（シ
リコン）の板を化学的エツチングＯこより図示の如き薄
肉部のダイヤフラム３Ａを形成したもので、パイレック
スガラスのベース１２Ａに、該ダイヤフラム室３Ｂを有
する本体１１Ａを、アノ−ディックボンディングと称さ
れる静電接着法などにより接着し、さらに、本体１１Ａ
のダイヤフラム室３Ｂの上に圧電素子１３Ａが接着され
ているものである。

このような第２図の構成において、圧電素子１３１こ圧
電が印加され、図示の矢印方向に圧電素子１３Ａが圧縮
歪みを生ずると、バイメタル効果により、ダイヤフラム
部３が点線で示されるように変形を生じ、ダイヤフラム
室３Ｂの体積が小さくなる。

そこで、ダイヤフラム室３Ｂの圧力が急激に高くなって
、その圧力波によりノズル部１の先端から液体が表面張
力を破って飛び出し、液滴が噴射される。

いま、図示の如く、ダイヤフラム３Ａの厚さをｈＤ１圧
電素子１３Ａの厚さをｈｐｓダイヤフラム３Ａの中心た
わみをδとする。

しかして、第３図は、圧電素子１３Ａ（こ一定の歪みを
与えたときのダイヤフラム３Ａの中心たわみδと、圧電
素子１３Ａの厚さｈＰとの関係を求めたものである。

この第３図により、ｈ、／ｈＤ二１、すなわち圧電素子
１３Ａの板厚ｈＰがダイヤフラム３Ａの板厚ｈＤに等し
くなったとき、ダイヤフラム３Ａの中心たわみδが最も
大きくなることを示している。

そして、同図にみるようＯこ、圧電素子１３Ａの板厚ｈ
Ｐが厚くなるほど、ダイヤフラム３Ａの中心たわみδは
小さくなり、板厚ｈＰが２倍になると、中心たわみδは
、その最大値δヤの約８０％となる。

したがって、圧電素子１３Ａの板厚ｈｐは、ダイヤフラ
ム３Ａの板厚ｈＤと同程度の厚さく０．５＜ｈｐ／ｈＤ
＜２）？こするのが、構造力学的には有利であることが
判った。

次ζこ、圧電素子１３Ａに印加する電圧は、当該圧電素
子に同じ歪みを与える場合には、その圧電素子の板厚ｈ
ＰＯこ比例する。

したがって、上記の第３図の結果を、圧電素子に同じ電
圧を与えた場合について示すと、第４図Ｇこ示すように
なる。

なお、この第４図で、その縦軸は、ダイヤフラム室３Ｂ
の体積変化をｈＰ／ｈＤ−１のときを１として示しであ
る。

この第４図から、上述した構造力学的Ｏこ望ましいｈＰ
／ｈＤ＝１のときに比較して、ｈＰ／ｈＤ１．８のとき
で体積変化ＡＶが約半分となり、それ以上に圧電素子が
厚いと、非常に効率が悪く、実用（こは適さないことが
判った。

したがって、これらの点を総合して、圧電素子の厚さを
ダイヤフラムの厚さの１．８倍以下に薄くすれば、電気
パルスを有効にダイヤフラム室の体積変化に変換でき、
効率の良い液滴噴射特性を有する液滴噴射装置が得られ
る。

このことは、電気パルスの電圧が低くても、良好な液滴
噴射特性が得られることを意味し、１駆動回路も安価と
なり、さらに高い信頼性が期待できるものである。

以上のようＱこ、圧電素子を薄くすればするほど、効率
の良い液滴噴射が得られることが判ったが、その半面に
おいて、圧電素子が薄くなるにつれて、圧電素子の歪み
が大きくなり、その接着層に作用する応力も大きくなる
ので限界がある。

加えて、従来例のところで述べたように、圧電素子が薄
くなると、接着剤のまわり込みや接着層の影響を受は易
くなる。

また、圧電素子が薄くなればなるほど、ダイヤフラムの
厚さのバラつきが直接、液滴噴射特性を左右することに
なる。

そこで、上述したところにより、本発明において、圧電
素子１３Ａを薄くした場合、ダイヤフラム３Ａの板厚を
均一に、かつバラつきのないものとし、均一な接着技術
が要求されるものである。

この点の構、或につき、第５図は、その一実施例を示し
たものである。

なお、同図で１４は、Ａｕ層、１５は、Ａｕ −Ｓ ｉ
共晶層である。

前後したが、既述のように、ダイヤフラム３ＡにＳｉを
用いたのは、精度の良いダイヤフラム加工が容易に行な
いうるためであり、具体的には、超音波加工や化学的エ
ツチングで実現できるものである。

例えば、ＫＯＨ溶液に、アルコール類などの抑制剤を加
えたアルカリ性エツチング液で６０〜８０℃程度の適当
な温度でＳｉをエツチングすると、毎分０．５μｍ程度
のエツチング速度が得られ、１μｍ前後の加工精度でダ
イヤフラム部３を加工することが可能である。

一方、圧電素子１３Ａの表面Ｏこは、Ａｕ層１４が、蒸
着やスパッタなどによりメタライズされており、ダイヤ
フラム３Ａ上面をＳｉ面としておけば、３４０〜４００
℃程度でＡｕ−８ｉ共共晶蓋Ｏこより、均一なＡｕ−８
ｉ共晶層１５が得られる。

もちろん、この場合、圧電素子１３Ａはキューリ点以上
となり、再分極が必要となる。

しかし、このようにすれば、効率の良い、かつ生産性が
良く信頼性の高い液滴噴射装置が、バラつきがなく高歩
留りで実現できるものである。

また、圧電素子が薄くなると、従来例で述べたようＯこ
、電極間の放電リークが生じ易くなるが、第６図のａ
”−ｃに示すように、表電極１６ 、１ Ｂ 。

２０、裏電極１７，１９．２１のいずれか一方、もしく
は両方を、圧電素子端から内側に設けて、縁面距離を長
くすれば、この問題は解決されるものである。

以上に述べたところを総合して、本発明によるときは、
液滴噴射効率が良く、生産性も高い液滴噴射装置が得ら
れるものであって、実用的効果にすぐれた開発というこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図のイは、供給タンクを付加した従来倒置の断面図
、同じく口は、その略正面図、同じくハは、−駆動回路
を付加したその略側断面図、第２図は、本発明の一実施
例に係るもののダイヤフラム部の第１図のＢ−Ｂ線に沿
う断面相当の略断面図、第３図は、同じく圧電素子、ダ
イヤフラムの板厚とダイヤフラム部におけるたわみとの
関係曲線図、第４図は、同じくそれぞれの板厚とダイヤ
フラム部における体積変化量との関係曲線図、第５図、
第６図のａ ””−ｃは、同じく一実施例に係る要部構
成図である。 １・・・・・・ノズル部、２，４．７・・・・・・導管
部、３・・・・・・ダイヤフラム部、３Ａ・・・・・・
ダイヤフラム、３Ｂ・・・・・・ダイヤフラム室、５・
・・・・・流体ダイオード、６・・・・・・共通液体溜
め、８・・・・・・供給タンク、１０・・・・・・駆動
回路部、１１Ａ・・・・・・本体、１２Ａ・・・・・・
ベース、１３Ａ・・・・・・圧電素子、ｈＰ・・・・・
・圧電素子の板厚、ｈＤ・・・・・・ダイヤフラムの板
厚。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液滴を制御された大きさと方向とを保って噴射する
   ためのノズル部、該ノズル部まで液体を導く導管部、液
   体を収納する供給タンクから上記ノズル部の途中に結合
   され、印加された電気信号に応答して体積変化を生じ液
   滴を前記ノズル部から噴射させる液体圧力駆動部とから
   なる液滴噴射装置において、上記液体圧力駆動部は、電
   気信号により歪みを生じる圧電素子が、もっばら液体の
   隔壁を形成するダイヤフラム部に接着されて構成されて
   おり、該圧電素子の厚さが当該ダイヤフラム部における
   ダイヤフラムの厚さの１．８倍以下の厚さとしたことを
   特徴とする液滴噴射装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、ダイヤ
   フラム部をＳｉ板を化学的エツチングすることにより形
   成したものである液滴噴射装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載のものにおいて、ダイヤ
   フラムに、圧電素子の接着面へメタライズ処理を施し共
   晶反応を利用して接着したものである液滴噴射装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、圧電素
   子の表裏の少なくとも一方の電極を、圧電素子端部から
   離して設けたものである液滴噴射装置。