(57)【要約】【課題】  本発明は、磁性微粒子もしくはその上に機能性材料を被着したサブミクロンメーターの粒子を分散させた液体を吐出させる液体用マイクロポンプの機構を実現することを目的とする。【解決手段】  磁性を有する微粒子を含有する流体を狭い吐出口から吐出するポンプにおいて、流体を流すためのチャネル部が磁界を印加する磁極から成り、吐出口近傍に液体を加熱する部材が配置され、かつその長さがチャネル幅の２倍以上４倍未満であることと同時に、吐出口の前面部は非磁性材料から構成され、その厚さがチャネル幅の１倍程度として磁性流体ポンプを構成する。【選択図】  図7
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性を有する微粒子を含有する流体を狭い吐出口から吐出するポンプにおいて、流体を流すためのチャネル部が磁界を印加する磁極から成り、吐出口近傍に液体を加熱する部材が配置され、かつその長さがチャネル幅の２倍以上４倍未満であることと同時に、吐出口の前面部は非磁性材料から構成され、その厚さがチャネル幅の１倍程度であることを特徴とする磁性流体用ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微少量の液体を任意に吐出する液体用マイクロポンプの技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インクジェットプリンタなど、微少量の液体を任意のタイミングで吐出して目的とする塗装・印刷を行うために、液体を加圧して吐出口から押し出すインクポンプが使われていた。このインクポンプには大きく分けて、一定量の液体を蓄えるインク貯めの体積を圧電素子で縮小して圧力を掛ける方式と、液体の通路の一部を加熱して液体の突沸を生じさせ、その沸騰圧を利用する方式があった。
【０００３】
広く用いられている印刷用のインクジェットでは、微細な液滴を吐出するため、インクの粘度を下げる必要があり、染料や粒径がナノメートルオーダーの微細な顔料を用いたインクを用いていた。
【０００４】
これらの技術を用いて電子回路の配線を直接実現するためには、導電性の金属微粒子や、磁性微粒子、誘電体の微粒子など機能性を重視した粒子をバインダの中に分散させて液状とし、吐出する必要がある。この場合、機能性を高めるためには分散させる粒子はバルク材料の特性を維持する必要があり、印刷用に比べて大きい、数百ｎｍクラスの粒子を用いる必要がある。たとえば、印刷でインダクタンス素子を形成する場合には、磁性微粒子には高い透磁率と自発磁化が要求されるが、数十ｎｍ以下に微細化すると超常磁性の影響により有効な特性が発現しなくなるためである。また、配線パターンを実現するための銅微粒子の場合、微細すぎると酸化が進行して抵抗が大きくなるが、ミクロンオーダーの粒子で有れば実用上問題は少ない。
【０００５】
しかし、粒径の大きな粒子を含む流体をポンプで加圧して吐出する場合、バインダとの親和力が弱くなるため、均一な吐出が困難になる欠点があった。これを避けるため、バインダの粘度を高めると、今度は吐出粒子が吐出口から出た瞬間に、吐出口内壁の流体摩擦により液滴が分解して所望の液滴が得られない困難があった。  また、微粒子含量を増やすと液体としての粘度が上がるとともに比重が大きくなり、より強い圧力で押し出す必要があるので、機能性を向上するために含量を増やすこと自体が困難であった。
【非特許文献１】高山、越本  自己保持型光磁気マイクロスイッチの基礎検討  電気学会論文誌Ａ  vOL.126-A PP.1245-1248 2006
【非特許文献２】G.S.Park,S.H.Park New Structure of the Magnetic Fluid Linear Pump  IEEE Trans.Magn., Vol.36,No.5 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、磁性微粒子もしくはその上に機能性材料を被着したサブミクロンメーターの粒子を分散させた液体を吐出させる機構を実現することを目的とする。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、従来のポンプと同様に図１に示すようにインク溜１と吐出口２をつなぐ微細なチャネル３を設けたのち、カバー４をして液体が一方向に流れうるチャネルを形成する。ただし従来のインクポンプと異なり、本発明ではチャネル部に大きな磁場を印加し、その間を磁性微粒子、もしくはその上に金属などを被着した磁性微粒子を顕濁させた磁性流体で定常的に満たしておくものである。磁極５に挟まれたチャネル３内部はほぼ一様の磁場であるのに対し、吐出口２側およびインク溜１側には磁場勾配が生じる。この結果、磁性流体には図２に示すように磁場勾配に起因する応力(Maxwell応力)が働いているが、この力はチャネルの両側から磁性流体をチャネルに閉じこめるように釣り合って働くので、液体は実質的に動かない。図中、白矢印は説明のための定性的な力の方向と大きさを示す。
【０００８】
この磁性微粒子をフェライトやFeNiCrなど、キューリー温度が比較的低い材料で構成しておくと、チャネル内に温度勾配を作りことで磁性流体の磁化が変化し、図３に示すように温度の高い方に応力分布が崩れ、結果として押し出す力となってインク溜１に入っている磁性流体が温度の高い方に押し出される。この、磁性材料に温度を掛けたときに、磁場中の磁性材料に力が発生する現象は古くより知られ、チャネルの溝幅をWとしたとき、この力の発生は加熱位置によって異なり、最も力が大きくなるのは、加熱領域が磁場勾配を形成するための磁極の先端部を加熱した場合である。
【０００９】
このため、ポンプの構造としては図４に示すように、図１に示すカバー４の部分を絶縁基板１１で構成し、吐出口２部分で貫流するヒーター６を設け、該ヒーターを配線９によってインク溜方向すなわち吐出方向と逆側に接続するようにする。ヒーター６を薄膜で構成すれば、熱容量を小さくでき、チャネル先端部の液体のみを加熱できるから吐出力の大きいポンプを実現できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明を用いることにより、粒径の大きな磁性微粒子もしくはその表面に機能性材料を被着したものを液滴として吐出させることが出来、電子回路配線や配線インダクタを直接形成することが可能であり、試作回路作成の大幅な効率化と省資源化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明では高い磁場勾配を定常的にチャネル部に形成する必要があり、このために図４に示すように均一な永久磁石７の磁化方向に直角にチャネルに相当する溝を掘ることで、チャネルを形成する。こうすることにより強いローレンツ磁場がチャネル内に発生するとともに磁極の外では漏れ磁場の形で磁場強度が減衰する。
【００１２】
これは、構造的には磁気ヘッドのギャップ部分と類似であり、概略磁極表面からの距離に反比例して磁場が減衰する。図４ではチャネルを構成する材料に永久磁石を用いた例を示すが、永久磁石から適当な磁気回路を用いて高透磁率材料で構成した磁極を構成しても良いことは磁気テープ用の消去ヘッドなどに広く用いられる公知の事実である。
【００１３】
チャネル内の磁界Ｈはチャネルの両側の壁に発生する磁位Φに対し、Ｈ＝Φ/Wで表され、チャネル幅に対してチャネルの長さＬが十分大きいときはΦ≒Ｍr（残留磁化）である。Ｗを小さくすると、Ｈが大きくなるから、微細な液滴を作ろうとするほど発生力を大きくできる利点が明白である。
【００１４】
磁極より離れた位置での減衰を大きくするためには、これも公知であるが、磁極の幅を狭くし、例えば、チャネルと同じ程度の幅とすることで、表面からの距離がW以上の位置では急速な磁場減衰を生じる。このような形状はチャネル、磁極ともに平行であることから、薄膜磁石を積層する事で容易に実現できる。具体的には、金属永久磁石に非磁性のSiO2などの板を張り付け、それをスライスして薄板化し、チャネル幅に相当する磁性材料を挟み込んで積層する事で実現できる。このとき、チャネルの高さ方向に相当するすきまを空けて挟み込むことで、トンネル状のチャネルを介して磁石板同士が吸着し合う。
【００１５】
チャネル内の液体の加熱は、図４で説明したように予め挟み込む磁性材料の所定の位置に抵抗膜を作成し、配線９を設ける。これ以外にも積層磁石を使う場合は両側の永久磁石配線として用いることでこれを介して電流加熱が出来る。また、吐出口部分をSiO2などの透明材料としておくと、外部からレーザーなどで集光加熱することも容易である。
【００１６】
上記加熱位置に関しては、図５に示すように押し出し側、すなわちインク溜側の磁極の角度をチャネルの方向から６０度以上９０度未満とする事で高い圧力を発生できることが明らかになった。これは磁極内での磁束が収束されてチャネル部に流れるため、結果としてチャネル内の吐出口に近い方が、発生圧が大きくなることは磁場分布から推定できる。チャネル長さLをさらに長くしても圧力はそれほど増えないが、インクがチャネルより受ける粘性抵抗は長さに比例して増えるので、Lを2〜3W以上に長くするとかえって粘性抵抗が増えて効果はない。
【００１７】
また、同じ磁場分布を用いる場合において、この加熱位置を永久磁石の存在する位置よりさらに前方とする事により、最大となる配置が存在することが解析結果より明らかになった。図６にW=100μｍとしたときの例を示すが、加熱領域を磁極の出口側にチャネル幅Ｗ／２程度の非磁性材料のチャネルを付加する事で20%以上の圧力向上が得られる。この非磁性部分をより長く加熱領域を磁極内のチャネルから離すと発生圧力は再び低下し、同時にチャネル長さが長くなることによる粘性抵抗が増える結果、インクを押し出す力は弱くなることが分かった。このため、ポンプの構造としては図７に示すように、磁極５の先にW/2の厚さの非磁性材料８を付着し、磁極材量と該非磁性材料を貫通するチャネルを設けることでさらに吐出力の大きいポンプを実現できる。この非磁性材料には粘性抵抗が低くて熱伝導度の小さな、たとえばフロン系樹脂やSiO2などが望ましい。
【００１８】
本発明による磁性流体ポンプでは、発生力は流体の磁化、すなわち流体中に含まれる磁性微粒子の含量に比例して大きくなる。もちろん含量を増やすことにより流体としての粘度や比重は増加するが、発生力も比例して増加するので、微粒子含量を増やして流体の機能性を高める上で有利である。
【００１９】
以上の結果、本発明の磁性流体ポンプを用いることにより、磁性微粒子を多く含む磁性流体でも吐出する事が可能であり、従来は不可能であった磁性流体をインクジェットとして飛翔させることが可能となる。
【００２０】
本発明の構造では含量として磁性微粒子を用いている。この微粒子表面に他の材料、例えば銅を被着すれば微粒子同士の界面は銅で接続されるため、低抵抗の銅配線をプリントすることが可能である。表面にチタン酸ジルコン鉛のナノ粒子を吸着させれば大容量コンデンサを、また、磁性微粒子自体は高い透磁率を持つため、従来は別途磁性メッキなどを行わなければいけなかったインダクタ配線がそのまま出来る利点がある。
【実施例１】
【００２１】
図７に抵抗加熱を用いた磁性流体ポンプの構造例を示す。平行なインク流路であるチャネル３に直交して磁束が流れるように磁気回路を構成し、磁極５およびチャネル幅と同程度の非磁性材料８で構成したチャネルを介して吐出口２部につながる構造で、その吐出口２の近傍に個々のチャネルに対応して抵抗加熱のための配線を設ける。特定の配線を選択して通電することによりチャネル先端部の磁性流体が加熱されて磁性流体が非磁性化して前述のごとくローレンツ圧力によって液体が押し出される。押し出された結果、チャネル内にはインク溜１から圧力差によって磁性流体が供給される。このチャネルの長さLはチャネル幅Wの１倍〜２倍程度が望ましい。これは、チャネル長さが短いと発生圧力が小さくなること、チャネル長さが長いと流路の粘性抵抗が増えてインク押し出し圧力が損なわれるためである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】インク吐出部の構造説明図
【図２】磁性流体に働く応力説明図  白抜き矢印は力の発生、矢印は磁束の流れを示す
【図３】加熱時の応力説明図    白抜き矢印は力の発生を、矢印は磁束の流れを示す
【図４】永久磁石で構成したチャネルの構造図
【図５】チャネル長さを変化させたときの発生圧力と磁極角度の関係
【図６】チャネル長さを2Wとしたときの非磁性材料の有無による圧力差
【図７】抵抗加熱と吐出口部に非磁性材料を配置した吐出部の構造例
【符号の説明】
【００２３】
１  インク溜
２  吐出口
３  チャネル
４  カバー
５  磁極
６  ヒーター
７  永久磁石  
８  非磁性材
９  配線
１０  加熱領域
１１  絶縁基板
N,S  磁極
黒矢印  磁化方向
白矢印  力の方向
θ  磁極角度
Ｌ  チャネル長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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