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JP2002291262A - Piezoelectric actuator and liquid eject head using it - Google Patents

Piezoelectric actuator and liquid eject head using it

Info

Publication number
JP2002291262A
JP2002291262A JP2001091157A JP2001091157A JP2002291262A JP 2002291262 A JP2002291262 A JP 2002291262A JP 2001091157 A JP2001091157 A JP 2001091157A JP 2001091157 A JP2001091157 A JP 2001091157A JP 2002291262 A JP2002291262 A JP 2002291262A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
piezoelectric actuator
ink
piezoelectric film
liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001091157A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shigeru Sadamura
茂 定村
Hiromi Kikuchi
広実 菊池
Toru Abe
徹 阿部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Metals Ltd filed Critical Hitachi Metals Ltd
Priority to JP2001091157A priority Critical patent/JP2002291262A/en
Publication of JP2002291262A publication Critical patent/JP2002291262A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Electromagnetic Pumps, Or The Like (AREA)
  • Details Of Reciprocating Pumps (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small and high performance piezoelectric actuator with improved piezoelectric strain constant and a liquid eject head which can print at high speed using it with keeping its small size and high gradation. SOLUTION: In the piezoelectric actuator which comprises electrodes in both sides of a thin rectangular piezoelectric substrate 22, the ratio L/W of the length L and width W is set to between 20 and 200. By this configuration the piezoelectric strain constant is improved, and the liquid eject head can print at high speed with keeping its small size and high gradation.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電式アクチュエ
ータ及びこれを用いた医療用マイクロポンプ、インクジ
ェットプリンタ等の液体吐出ヘッドに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric actuator and a liquid discharge head using the same, such as a medical micropump or an ink jet printer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、微細な液体を間欠的に噴射する液
体吐出ヘッドとしては、医療分野で投薬などに用いられ
るマイクロポンプあるいは身近なところではプリンタが
ある。以下、インクジェットプリンタ用の吐出ヘッドを
例に説明する。最近にあっては、カラー印刷を低価格で
且つ容易に実現できる手段として、インクジェットプリ
ンタが急速に普及している。この種のインクジェットプ
リンタとしては、インクを射出する方法によってバブル
式と圧電式の2種類のものがある。バブル式のインクジ
ェットプリンタは、インクが導入される加圧室内に加熱
ヒータを設け、このヒータに信号電流を流すことによっ
てインクが突沸して気泡が発生し、この時の圧力によっ
て噴射口からインクを噴射するようになっている。そし
て、このような機構の加圧室を多数個連設して記録ヘッ
ドを構成している。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a liquid ejection head for intermittently ejecting a fine liquid, there is a micropump used for medication in a medical field or a printer in a familiar place. Hereinafter, an ejection head for an ink jet printer will be described as an example. Recently, an ink jet printer has rapidly become widespread as a means for easily realizing color printing at low cost. As this type of ink jet printer, there are two types, a bubble type and a piezoelectric type, depending on a method of ejecting ink. A bubble-type ink jet printer is provided with a heater in a pressurized chamber into which ink is introduced, and when a signal current is supplied to the heater, the ink is bumped and bubbles are generated. It is designed to inject. Then, a large number of pressurizing chambers of such a mechanism are connected in series to constitute a recording head.

【0003】これに対して、圧電式のインクジェットプ
リンタは、圧電作用により駆動する圧電式アクチュエー
タを用いており、例えば特開平7−314672号公
報、特開平11−198364号公報、特開2000−
177128号公報、特許第312026号等に開示さ
れている。具体的には、上述のようなインク加圧室の一
側壁を振動板として構成し、この振動板を上記圧電式ア
クチュエータによって振動させることによりインク加圧
室内を加圧して噴射口からインクを噴射するようになっ
ている。そして、この場合にも上述したような機構の加
圧室を複数個連設して吐出ヘッドを構成している。
[0003] On the other hand, a piezoelectric ink jet printer uses a piezoelectric actuator driven by a piezoelectric action. For example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 7-314672, Hei 11-198364, and
No. 177128 and Japanese Patent No. 312026. Specifically, one side wall of the ink pressurizing chamber as described above is configured as a vibrating plate, and the vibrating plate is vibrated by the piezoelectric actuator to pressurize the ink pressurizing chamber to jet ink from the jet port. It is supposed to. In this case as well, a plurality of pressurizing chambers of the above-described mechanism are connected in series to constitute an ejection head.

【0004】そして、バブル式のインクジェットプリン
タにあっては、熱によるインク自体の化学変化を防止す
るためにインク自体に耐熱性が要求されるなど、インク
自体の品質管理が大変な上に、噴射されるインク粒子の
大きさを可変させることが難しく、そのため階調度を高
めるためには大きなレンジでのインク粒子数の制御、即
ち、単位面積当たりのインク粒子数の制御範囲を広げる
と言う面倒なことが必要となり、印刷速度が遅くなる、
といった問題がある。これに対して、圧電式のインクジ
ェットプリンタにあっては、インクは室温で使用できる
ことから品質管理が容易であり、しかも階調度は駆動電
圧を変えてインク粒子一個の大きさを制御することで容
易にコントロールでき、この理由から、この圧電式のイ
ンクジェットプリンタが多用される傾向にある。
[0004] In a bubble type ink jet printer, the ink itself is required to have heat resistance in order to prevent a chemical change of the ink itself due to heat. It is difficult to vary the size of the ink particles to be performed, and therefore, in order to increase the gradation, it is troublesome to control the number of ink particles in a large range, that is, to expand the control range of the number of ink particles per unit area. Is necessary, the printing speed becomes slow,
There is a problem. In contrast, with a piezoelectric inkjet printer, quality control is easy because the ink can be used at room temperature, and the gradient is easily controlled by changing the drive voltage to control the size of one ink particle. For this reason, the piezoelectric ink jet printer tends to be used frequently.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、この圧電式
のインクジェットプリンタの性能を決める上で重要なも
のは吐出ヘッドの能力であり、いかに高速で微細な液体
粒子を間欠的に噴射することができるか、という点であ
る。そのためには、各インク加圧室に対して設けられる
圧電式アクチュエータの圧電歪定数を、装置の小型化を
維持したままできるだけ大きく設定することが必要であ
るが、高い階調度を維持したまま更に高速印字が要求さ
れる今日にあっては、先に示したような従来装置では十
分に対応することが困難になってきており、根本に立ち
返り圧電式アクチュエータ単体での性能向上が必要にな
ってきていた。
An important factor in determining the performance of the piezoelectric ink jet printer is the capability of the discharge head, and it is possible to intermittently eject fine liquid particles at high speed. That is the point. To this end, it is necessary to set the piezoelectric strain constant of the piezoelectric actuator provided for each ink pressurizing chamber as large as possible while maintaining the miniaturization of the apparatus. In today's demand for high-speed printing, it has become difficult to respond sufficiently with the conventional devices as described above, and it is necessary to return to the basics and improve the performance of the piezoelectric actuator alone. I was

【0006】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、圧電歪定数を向上させて、小型で高い階調度
を維持したまま高速印字が可能な圧電式アクチュエータ
及びこれを用いた液体吐出ヘッドを提供することにあ
る。
[0006] The present invention focuses on the above problems,
It was created to solve this effectively. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a piezoelectric actuator capable of improving the piezoelectric distortion constant so as to be compact and capable of high-speed printing while maintaining a high gradation, and a liquid ejection head using the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】請求項1に規定する発明
は、薄い略矩形状の圧電膜の両面に電極を設けてなる圧
電式アクチュエータにおいて、前記圧電膜の長さLと幅
Wとの比L/Wが20〜200の範囲内であることを特
徴とする圧電式アクチュエータである。なお、前記圧電
膜の長さLと幅Wとの比L/Wはより望ましくは40以
上である。この場合、例えば請求項2に規定するよう
に、前記長さLは、1〜12mmの範囲内である。な
お、より望ましくは4mm以下である。また、例えば請
求項3に規定するように、前記厚さTは、5〜100μ
mの範囲内である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric actuator in which electrodes are provided on both surfaces of a thin, substantially rectangular piezoelectric film. A piezoelectric actuator having a ratio L / W in a range of 20 to 200. The ratio L / W of the length L to the width W of the piezoelectric film is more desirably 40 or more. In this case, for example, as defined in claim 2, the length L is in a range of 1 to 12 mm. In addition, it is more preferably 4 mm or less. Further, for example, as defined in claim 3, the thickness T is 5 to 100 μm.
m.

【0008】また、例えば請求項4に規定するように、
前記圧電膜は単層型とすることができる。また、例えば
請求項5に規定するように、前記圧電膜とこの両面の電
極は、それぞれ交互に複数枚積み重ねられた積層型であ
る。
Also, for example, as defined in claim 4,
The piezoelectric film may be of a single-layer type. Further, for example, as defined in claim 5, the piezoelectric film and the electrodes on both sides of the piezoelectric film are of a stacked type in which a plurality of the piezoelectric films are alternately stacked.

【0009】請求項6に規定する発明は、所定のピッチ
で配列された複数の吐出液室と、前記各吐出液室に設け
られてこれに吐出液を供給するための吐出液供給口と、
前記各吐出液室を区画する一側壁に設けられた噴射ノズ
ル孔と、前記各吐出液室の他の一側壁を区画するように
設けた振動板と、前記各振動板に設けられた請求項1乃
至5のいずれかに記載された圧電式アクチュエータとを
備えるように構成したことを特徴とする液体吐出ヘッド
である。また、請求項7で規定する発明は、前記吐出液
がインクの場合でありインクジェットプリンタ用の液体
吐出ヘッドである。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a discharge liquid chamber arranged at a predetermined pitch, a discharge liquid supply port provided in each of the discharge liquid chambers for supplying a discharge liquid thereto,
An ejection nozzle hole provided on one side wall for partitioning each of the discharge liquid chambers, a diaphragm provided to partition another side wall of each of the discharge liquid chambers, and a diaphragm provided on each of the vibration plates. A liquid discharge head comprising: the piezoelectric actuator according to any one of 1 to 5. The invention defined in claim 7 is a case where the discharge liquid is ink, and is a liquid discharge head for an ink jet printer.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る圧電式アク
チュエータ及びこれを用いた液体吐出ヘッド、特にイン
クジェットプリンタ用吐出ヘッドの一実施例を添付図面
に基づいて詳述する。図1は本発明の圧電式アクチュエ
ータを用いたインクジェット吐出ヘッドを示す概略断面
図、図2は図1中の圧電式アクチュエータの部分を示す
拡大斜視図である。図示するように、このインクジェッ
ト吐出ヘッド2は、断面が略矩形状の多数の細長い吐出
液室(以下、インク室とも称す)としてのインク室4を
有している。このインク室4の数は、記録ヘッド2の大
きさに依存し、例えば数10〜数100個設けられる。
このインク室4は、所定のピッチP1で、例えば数10
〜数100μmのピッチで配列され、隣り合うインク室
4は隔壁6により区画されると共に、底部は底部区画壁
8によって区画される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a piezoelectric actuator according to the present invention and a liquid discharge head using the same, particularly a discharge head for an ink jet printer, will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing an inkjet discharge head using the piezoelectric actuator of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged perspective view showing a part of the piezoelectric actuator in FIG. As shown in the figure, the inkjet discharge head 2 has an ink chamber 4 as a large number of elongated discharge liquid chambers (hereinafter also referred to as ink chambers) having a substantially rectangular cross section. The number of the ink chambers 4 depends on the size of the recording head 2 and is, for example, several tens to several hundreds.
The ink chamber 4 has a predetermined pitch P1, for example,
The ink chambers 4 are arranged at a pitch of 100100 μm, the adjacent ink chambers 4 are partitioned by partition walls 6, and the bottom is partitioned by bottom partition walls 8.

【0011】また、各インク室4の天井部は、厚さが比
較的薄い、例えば5〜10μm程度の厚さの振動板10
によって区画されており、後述するように、各インク室
4の振動板10がそれぞれ固有に振動し得るようになっ
ている。これらの振動板10と各隔壁6及び底部区画壁
8は、例えばZrO (酸化ジルコニウム)等により
一体焼結により形成されている。そして、この底部区画
壁8の下部には、例えば比較的厚めのステンレス板より
なるノズルベース12が設けられると共に、更にこの下
部には例えば薄いステンレス板よりなるノズルプレート
14が順次接合されている。尚、底部区画壁8を設けず
ノズルベース12を直接各隔壁6に接合し、ノズルベー
ス12の一部を底部区画壁8の替わりとして使用する構
造とすることもできる。
The ceiling of each ink chamber 4 has a diaphragm 10 having a relatively small thickness, for example, about 5 to 10 μm.
The diaphragm 10 of each ink chamber 4 can vibrate uniquely, as described later. The diaphragm 10, the partition walls 6 and the bottom partition wall 8 are formed by integral sintering using, for example, ZrO 2 (zirconium oxide). A nozzle base 12 made of, for example, a relatively thick stainless steel plate is provided below the bottom partition wall 8, and a nozzle plate 14 made of, for example, a thin stainless steel plate is sequentially joined to the lower portion of the nozzle base 12. The nozzle base 12 may be directly joined to each partition 6 without providing the bottom partition wall 8, and a part of the nozzle base 12 may be used instead of the bottom partition wall 8.

【0012】そして、上記ノズルベース12には、各イ
ンク室4に対応させてインク供給口16が形成されてお
り、図示しないインク流路を介して各インク室4に必要
に応じてインクを供給し得るようになっている。また、
上記各インク室4を区画する底部区画壁8、ノズルベー
ス12及びノズルプレート14には、これらを貫通させ
て、例えば直径が10〜30μm程度の微細な噴射ノズ
ル孔18が形成されている。これらの噴射ノズル孔18
は、各インク室4に1つずつ対応させて設けており、後
述するように、上記振動板10を振動させてインク室4
内を加圧することによって、この噴射ノズル孔18から
インク滴を射出し得るようになっている。
An ink supply port 16 is formed in the nozzle base 12 so as to correspond to each of the ink chambers 4, and supplies ink to each of the ink chambers 4 as needed through an ink flow path (not shown). It is possible to do. Also,
A fine jet nozzle hole 18 having a diameter of, for example, about 10 to 30 μm is formed through the bottom partition wall 8, the nozzle base 12, and the nozzle plate 14 that partition the ink chambers 4. These injection nozzle holes 18
Are provided so as to correspond to each ink chamber 4 one by one. As described later, the vibration plate 10 is vibrated to
By pressurizing the inside, ink droplets can be ejected from the ejection nozzle holes 18.

【0013】そして、上記各振動板10の上部に本発明
の特徴とする圧電式アクチュエータ20が1つずつ対応
させて設けられている。具体的には、この圧電式アクチ
ュエータ20は、例えばチタン酸・ジルコン酸鉛系のセ
ラミック材等を焼成してなる略長方形状の圧電膜22を
有しており、図中においてこの上面側に例えば銀あるい
はクロム−金複合膜よりなる上部電極24を接合し、下
面側に例えば白金あるいはチタン−白金複合膜よりなる
下部電極26を接合している。上記上部電極24及び下
部電極26の厚さは、それぞれ0.1〜8μm程度であ
り、また、下部電極26は広い一枚の電極として各圧電
式アクチュエータ20に対して共通に設けるようにして
もよい。この場合、圧電式アクチュエータ20の幅は、
インク室4の幅の60〜95%程度の範囲内に設定され
ている。
The piezoelectric actuators 20 of the present invention are provided one above the other on each of the vibration plates 10 so as to correspond to each other. More specifically, the piezoelectric actuator 20 has a substantially rectangular piezoelectric film 22 formed by firing, for example, a titanic acid / lead zirconate ceramic material. An upper electrode 24 made of a silver or chromium-gold composite film is joined, and a lower electrode 26 made of, for example, a platinum or titanium-platinum composite film is joined to the lower surface side. The thickness of each of the upper electrode 24 and the lower electrode 26 is about 0.1 to 8 μm, and the lower electrode 26 may be provided as a single wide electrode in common with each piezoelectric actuator 20. Good. In this case, the width of the piezoelectric actuator 20 is
The width is set within a range of about 60 to 95% of the width of the ink chamber 4.

【0014】そして、このように構成された各圧電式ア
クチュエータ20の上部電極24と下部電極26との間
に個別に電圧信号を加えることにより、圧電作用によっ
てこの圧電式アクチュエータ20が伸縮し、これによっ
て振動板10が歪んで振動し、その圧力変動によってイ
ンク室4内のインクが噴射ノズル孔18からインク滴と
なって射出することになる。また、このインクジェット
吐出ヘッド2は、図示しないヘッド基台に載置されて、
記録紙等の記録媒体に対して走査しつつインクを射出す
ることになる。ここで、図2の圧電膜22の上下電極2
4、26間に電圧Vを印加した時の長さL方向の変位量
△Lと圧電歪定数d31は以下の式(1)のように定義
される。 △L/L=d31V/T …(1) 電界V/Tを一定においたとき変位量△Lは圧電歪定数
31と圧電膜の長さLに比例する。圧電膜の長さLは
極力小さくする方向にあるので圧電歪定数d31はでき
るだけ大きいものが望まれる。また式(1)によれば変
位量△Lは素子幅Wには無関係であるが、本発明では以
下に示すように変位量△L、すなわち、圧電歪定数d
31が素子幅Wに大きく依存することを見出した。よっ
て、より小さな電圧で高い圧電歪定数d31を得て高い
効率で動作させるためには、圧電膜22の長さL、幅W
及び厚さTの関係が非常に重要となり、本発明では以下
に説明するように設定する。
By individually applying a voltage signal between the upper electrode 24 and the lower electrode 26 of each piezoelectric actuator 20 configured as described above, the piezoelectric actuator 20 expands and contracts by a piezoelectric action. As a result, the vibration plate 10 is distorted and vibrates, and the ink in the ink chamber 4 is ejected from the ejection nozzle hole 18 as an ink droplet by the pressure fluctuation. The ink jet head 2 is mounted on a head base (not shown),
Ink is ejected while scanning a recording medium such as recording paper. Here, the upper and lower electrodes 2 of the piezoelectric film 22 in FIG.
Displacement △ L and the piezoelectric strain constant d 31 of length L direction upon application of a voltage V between 4,26 is defined as the following equation (1). ΔL / L = d 31 V / T (1) When the electric field V / T is kept constant, the displacement ΔL is proportional to the piezoelectric strain constant d 31 and the length L of the piezoelectric film. The piezoelectric strain constant d 31 and the length L of the piezoelectric film is in a direction to minimize the as large as possible is desired. According to the equation (1), the displacement ΔL is irrelevant to the element width W. However, in the present invention, the displacement ΔL, that is, the piezoelectric strain constant d
31 greatly depends on the element width W. Therefore, in order to operate at a high yield a high piezoelectric strain constant d 31 in a smaller voltage efficiency, length L, a width W of the piezoelectric film 22
And the relationship between the thickness T and the thickness T are very important, and are set as described below in the present invention.

【0015】すなわち、まず、圧電膜22の長さLと幅
Wとの比L/Wを、20〜200の範囲内に設定する。
また、圧電膜22の厚さTは、好ましくは5〜100μ
mの範囲内に設定するのがよい。更に、圧電膜22の長
さLは、好ましくは1〜12mmの範囲内に設定するも
のである。以下に、その理由をデータを参照して説明す
る。図3は圧電膜の厚さが5μmの時の比L/Wと圧電
歪定数d31との関係を示すグラフ、図4は圧電膜の厚
さが10μmの時の比L/Wと圧電歪定数d31との関
係を示すグラフ、図5は圧電膜の厚さが30μmの時の
比L/Wと圧電歪定数d31との関係を示すグラフであ
る。また、図6は圧電膜の長さが12mmの時の比L/
Wと圧電歪定数d31との関係を示すグラフである。
尚、上記圧電歪定数d31は以下の式(2)で一般的に
与えられる。 d31=(ε ・ε 33・S 111/2 ・k31 …( 2) ここでε は真空中の誘電率、ε 33は材料の比
誘電率、S 11 は弾性コンプライアンス、k31
電気機械結合係数である。
That is, first, the ratio L / W of the length L to the width W of the piezoelectric film 22 is set in the range of 20 to 200.
The thickness T of the piezoelectric film 22 is preferably 5 to 100 μm.
It is better to set it within the range of m. Further, the length L of the piezoelectric film 22 is preferably set within a range of 1 to 12 mm. Hereinafter, the reason will be described with reference to data. Figure 3 is the ratio L / W and the piezoelectric strain when the thickness is a graph showing the relationship between the ratio L / W and the piezoelectric strain constant d 31 when the 5 [mu] m, 4 is the thickness of the piezoelectric film of 10μm piezoelectric film graph showing the relationship between the constant d 31, FIG. 5 is a graph showing the relationship between the ratio L / W and the piezoelectric strain constant d 31 when the 30μm thickness of the piezoelectric film. FIG. 6 shows the ratio L / L when the length of the piezoelectric film is 12 mm.
W and is a graph showing the relationship between the piezoelectric strain constant d 31.
Incidentally, the piezoelectric strain constant d 31 is given generally by the following formula (2). d 31 = (ε O · ε T 33 · S E 11) 1/2 · k 31 ... (2) where epsilon O is the dielectric constant in vacuum, epsilon T 33 is the dielectric constant of the material, S E 11 is elastic compliance, k 31 is the electromechanical coupling coefficient.

【0016】まず、微小な電圧で大きな変位を得るため
には上記式(1)の通り、圧電歪定数d31の絶対値は
大きければ大きいほど程良いと言える。例えば、圧電歪
定数d31が200×10−12m/V以上の値であれ
ば望ましいと言える。本実施例ではより小型で且つ大き
なインク噴射圧を得るために、ばらつきが少なくより安
定した領域を、圧電歪定数d31の絶対値が略340×
10−12 m/V以上であると設定した。この点よ
り、図3〜図5を参照すると、圧電膜22の厚さTが5
〜30μmに変化しても、比L/Wが略20以上なら
ば、圧電歪定数d31の絶対値は略340×10−12
m/V以上であり、上記条件を満足していることが判
明する。しかも、この場合、圧電膜22の長さLを1〜
12mmの範囲内に変化させても、上記条件を満足して
いることが判明する。また、この圧電歪定数d31は、
比L/Wが100〜120程度のところでその上昇は飽
和しており、そして、吐出ヘッドの小型化からの要請に
より、圧電膜22の長さLも合理的な寸法があり、比L
/Wの上限値は略200程度である。
[0016] First, as small voltage above in order to obtain a large displacement by the formula (1), the absolute value of piezoelectric strain constant d 31 can be said to be better larger. For example, it can be said that the piezoelectric strain constant d 31 is desirable if the 200 × 10 -12 m / V or more. To obtain and large ink jetting pressure is smaller in the present embodiment, a stable region than the variation is small, approximately 340 × absolute value of piezoelectric strain constant d 31 is
It was set to be 10 −12 m / V or more. In this regard, referring to FIGS. 3 to 5, the thickness T of the piezoelectric film 22 is 5
Be varied to 30 .mu.m, if the ratio L / W is substantially 20 or more, the absolute value of piezoelectric strain constant d 31 is substantially 340 × 10 -12
m / V or more, which proves that the above condition is satisfied. Moreover, in this case, the length L of the piezoelectric film 22 is set to 1 to
It can be seen that the above condition is satisfied even when changed within the range of 12 mm. Also, this piezoelectric strain constant d 31 is
The increase is saturated when the ratio L / W is about 100 to 120, and the length L of the piezoelectric film 22 has a reasonable dimension due to the demand for miniaturization of the ejection head.
The upper limit of / W is about 200.

【0017】従って、以上の結果から、圧電膜22の長
さLと幅Wとの比L/Wを20〜200の範囲内に設定
するのが、圧電歪定数d31の向上の上から必要である
ことが判る。また、この場合、圧電膜22の長さLは、
少なくとも1〜12mmの範囲内に設定するのがよいこ
とも判る。また、図6は圧電歪定数d31の圧電膜の厚
さに対する依存性を示すグラフである。ここでは、圧電
膜22の厚さTを5〜1000μm(=1mm)まで種
々変更している。また、圧電膜22の長さLは12mm
に一定に設定している。
[0017] Thus, the above results, setting the ratio L / W of length L and width W of the piezoelectric film 22 in the range of 20 to 200 is necessary from the viewpoint of enhancing the piezoelectric strain constant d 31 It turns out that it is. In this case, the length L of the piezoelectric film 22 is
It can also be seen that it is better to set at least within the range of 1 to 12 mm. Also, FIG. 6 is a graph showing the dependency on the thickness of the piezoelectric film of the piezoelectric strain constant d 31. Here, the thickness T of the piezoelectric film 22 is variously changed from 5 to 1000 μm (= 1 mm). The length L of the piezoelectric film 22 is 12 mm
Is set to a constant.

【0018】このグラフから明らかなように、比L/W
が20以上であっても、圧電膜22の厚さTが1000
μm(=1mm)の場合には、圧電歪定数d31の絶対
値は310〜320程度まで低くなっている。これに対
して、厚さTが5〜100μmの場合には、比L/Wが
20以上、好ましくは40以上において圧電歪定数d
の絶対値は略340以上であり、非常に良好な特性を
得るられることが分かる。この場合、厚さTが100μ
mの時には圧電歪定数はやや低いので、好ましくは厚さ
Tが5〜30μmの範囲内が特に特性上良好であること
が判明する。
As is clear from this graph, the ratio L / W
Is not less than 20, the thickness T of the piezoelectric film 22 is 1000
If the [mu] m (= 1 mm), the absolute value of piezoelectric strain constant d 31 is lower to about 310-320. On the other hand, when the thickness T is 5 to 100 μm, the piezoelectric strain constant d 3 at a ratio L / W of 20 or more, preferably 40 or more.
The absolute value of 1 is about 340 or more, which indicates that very good characteristics can be obtained. In this case, the thickness T is 100 μ
At m, the piezoelectric strain constant is rather low, and it is found that the thickness T is preferably in the range of 5 to 30 μm, and the characteristics are particularly good.

【0019】以上のように圧電膜の各寸法及び寸法比を
設定することにより、圧電歪定数を大幅に向上でき、従
って、インクの噴出圧力を広いレンジに亘って制御する
ことができるので、小型で且つ高密度な噴射ノズル配列
であっても、高い階調度を維持したまま、高速印字を可
能とすることができる。
By setting the dimensions and the dimensional ratio of the piezoelectric film as described above, the piezoelectric distortion constant can be greatly improved, and the ink ejection pressure can be controlled over a wide range. Even with a high-density nozzle array, high-speed printing can be performed while maintaining a high gradation.

【0020】尚、上記実施例にあっては、1枚の圧電膜
22の両面に電極24、26を設けた、いわゆる単層型
の圧電式アクチュエータを例にとって説明したが、これ
に限定されず、図7に示すように上述したような寸法の
圧電膜と電極とを交互に複数枚積み重ねてなる、いわゆ
る積層型の圧電式アクチュエータにも本発明を適用でき
るのは勿論である。図7の例は1層あたり25μmの圧
電膜を4層積み重ねて全体の厚みを100μmとしたも
ので、電極が交互に側面に取り出せるようになってい
る。積層体表面の上面と下面及び右側面にわたってマイ
ナスの電圧を印可する電極36を設け、他方の側面にプ
ラスの電圧を印可する電極34を設けている。このよう
な積層型の圧電式アクチュエータは、上述した単層型の
圧電式アクチュエータに比して圧電膜全体の厚みは同じ
であるが、一枚あたりの圧電膜を薄くし駆動電圧を同じ
に設定すれば圧電膜に加わる電界を大きくできる。他
方、駆動電界を同じに設定すれば駆動電圧を下げること
が出来る。そして、本実施例の積層型の圧電式アクチュ
エータについて特性評価を行ったところ、図6に示す単
層100μmの場合と同様の結果を得ることが出来た。
In the above embodiment, a so-called single-layer piezoelectric actuator in which electrodes 24 and 26 are provided on both surfaces of a single piezoelectric film 22 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 7, the present invention can of course be applied to a so-called laminated piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric films and electrodes having the above-described dimensions are alternately stacked. In the example of FIG. 7, four layers of 25 μm piezoelectric films are stacked on each other to make the total thickness 100 μm, and the electrodes can be alternately taken out to the side surfaces. An electrode 36 for applying a negative voltage is provided on the upper surface, the lower surface, and the right side surface of the surface of the laminate, and an electrode 34 for applying a positive voltage is provided on the other side surface. In such a laminated piezoelectric actuator, the thickness of the entire piezoelectric film is the same as that of the above-described single-layer piezoelectric actuator, but the driving voltage is set to be the same by reducing the thickness of each piezoelectric film. This can increase the electric field applied to the piezoelectric film. On the other hand, if the driving electric field is set to be the same, the driving voltage can be reduced. Then, when the characteristics of the laminated piezoelectric actuator of this example were evaluated, the same results as in the case of a single layer of 100 μm shown in FIG. 6 could be obtained.

【0021】次に、図8は本発明の他の圧電式アクチュ
エータ40を用いたインクジエットプリンタ用液体吐出
ヘッドの実施例を示す断面図である。図1と同じ構造に
ついては同一符号を付して説明は省略する。本例は図示
のように圧電膜42をインク室4に対して竪型に構成し
たもので、図示していないが圧電膜42の上端部はアク
チュエータの部材に固定するようになしている。よっ
て、電圧を印加した時に長手方向に生じる圧電膜42の
変位を先端突出部44を介して直接振動板10に伝達
し、インク室4内を加圧することにより噴射ノズル孔1
8からインク滴を射出するようにしたものである。ここ
で圧電膜42は単層型でも積層型でも良く積層型の場合
は上記の例と同様に駆動電圧を小さく抑えることが出来
る。この竪型の例について特性評価を行ったところ、上
述の圧電膜を横に置いた構造とほぼ同様の効果を得るこ
とが出来た。
FIG. 8 is a sectional view showing an embodiment of a liquid ejection head for an ink jet printer using another piezoelectric actuator 40 according to the present invention. The same reference numerals are given to the same structures as those in FIG. In this example, the piezoelectric film 42 is formed vertically with respect to the ink chamber 4 as shown in the figure. Although not shown, the upper end of the piezoelectric film 42 is fixed to a member of an actuator. Therefore, the displacement of the piezoelectric film 42 generated in the longitudinal direction when a voltage is applied is directly transmitted to the vibration plate 10 through the tip protrusion 44, and the inside of the ink chamber 4 is pressurized to thereby eject the ejection nozzle hole 1.
8 is designed to eject ink droplets. Here, the piezoelectric film 42 may be a single layer type or a laminated type, and in the case of a laminated type, the driving voltage can be suppressed low similarly to the above example. When the characteristics of this vertical example were evaluated, it was possible to obtain substantially the same effect as the above-described structure in which the piezoelectric film was placed sideways.

【0022】[0022]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電式ア
クチュエータ及びこれを用いた医療用マイクロポンプや
インクジェットプリンタ等の液体吐出ヘッドによれば次
のように優れた作用効果を発揮することができる。圧電
膜の各寸法及び寸法比を所定の範囲内に設定することに
より、圧電歪定数を大幅に向上でき、従って、インクジ
ェットプリンタで言えば、インクの噴出圧力を広いレン
ジに亘って制御することができるので、小型で且つ高密
度な噴射ノズル配列であっても、高い階調度を維持した
まま、高速印字を可能とすることができる。
As described above, according to the piezoelectric actuator of the present invention and the liquid ejection head such as a medical micropump or ink jet printer using the same, the following excellent operational effects can be exhibited. it can. By setting each dimension and size ratio of the piezoelectric film within a predetermined range, the piezoelectric distortion constant can be greatly improved, and therefore, in the case of an ink jet printer, the ejection pressure of ink can be controlled over a wide range. Therefore, high-speed printing can be performed while maintaining a high gradation even with a small and high-density ejection nozzle arrangement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の圧電式アクチュエータを用いたインク
ジェット吐出ヘッドを示す概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an inkjet discharge head using a piezoelectric actuator of the present invention.

【図2】図1中の圧電式アクチュエータの部分を示す拡
大斜視図である。
FIG. 2 is an enlarged perspective view showing a part of a piezoelectric actuator in FIG.

【図3】圧電膜の厚さが5μmの時の比L/Wと圧電歪
定数d31との関係を示すグラフである。
[3] The thickness of the piezoelectric film is a graph showing the relationship between the ratio L / W and the piezoelectric strain constant d 31 when the 5 [mu] m.

【図4】圧電膜の厚さが10μmの時の比L/Wと圧電
歪定数d31との関係を示すグラフである。
[4] The thickness of the piezoelectric film is a graph showing the relationship between the ratio L / W and the piezoelectric strain constant d 31 when the 10 [mu] m.

【図5】圧電膜の厚さが30μmの時の比L/Wと圧電
歪定数d31との関係を示すグラフである。
[5] The thickness of the piezoelectric film is a graph showing the relationship between the ratio L / W and the piezoelectric strain constant d 31 when the 30 [mu] m.

【図6】圧電膜の長さが12mmの時の比L/Wと圧電
歪定数d31との関係を示すグラフである。
[6] The length of the piezoelectric film is a graph showing the relationship between the ratio L / W and the piezoelectric strain constant d 31 when the 12 mm.

【図7】本発明の他の実施例である積層型圧電式アクチ
ュエータの圧電膜の積層部分を示す斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view showing a laminated portion of a piezoelectric film of a laminated piezoelectric actuator according to another embodiment of the present invention.

【図8】本発明の圧電式アクチュエータの更に他の実施
例を示す吐出ヘッド部分の断面図である。
FIG. 8 is a sectional view of a discharge head portion showing still another embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 インクジェット記録ヘッド 4 インク室 10 振動板 18 噴射ノズル 20、40 圧電式アクチュエータ 22、42 圧電膜 24 上部電極(電極) 26 下部電極(電極) 34 積層型の一方の側面電極 36 積層型の他方の電極 44 圧電膜の先端突出部 L 圧電膜の長さ T 圧電膜の厚さ W 圧電膜の幅 2 Ink jet recording head 4 Ink chamber 10 Vibration plate 18 Injection nozzle 20, 40 Piezoelectric actuator 22, 42 Piezoelectric film 24 Upper electrode (electrode) 26 Lower electrode (electrode) 34 One side electrode of stacked type 36 The other of stacked type Electrode 44 Protruding tip of piezoelectric film L Length of piezoelectric film T Thickness of piezoelectric film W Width of piezoelectric film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F04B 17/06 B41J 3/04 103A 53/00 F04B 21/00 N 23/00 H01L 41/08 C H01L 41/09 S 41/083 U (72)発明者 阿部 徹 埼玉県熊谷市三ヶ尻5200番地 日立金属株 式会社先端エレクトロニクス研究所内 Fターム(参考) 2C057 AF37 AF55 AG12 AG39 AG44 AG48 BA04 BA14 3H069 AA04 BB01 CC10 DD11 DD44 DD48 EE01 EE41 3H071 AA05 BB01 CC11 CC17 CC31 CC47 DD04 DD42 DD84 DD89 EE11 EE12 3H075 AA07 BB04 BB21 CC30 CC32 CC36 DA05 DB02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) F04B 17/06 B41J 3/04 103A 53/00 F04B 21/00 N 23/00 H01L 41/08 C H01L 41 / 09 S 41/083 U (72) Inventor Toru Abe 5200 Mikajiri, Kumagaya-shi, Saitama F-term in Advanced Electronics Research Laboratory, Hitachi Metals, Ltd. 2C057 AF37 AF55 AG12 AG39 AG44 AG48 BA04 BA14 3H069 AA04 BB01 CC10 DD11 DD44 DD48 EE01 EE41 3H071 AA05 BB01 CC11 CC17 CC31 CC47 DD04 DD42 DD84 DD89 EE11 EE12 3H075 AA07 BB04 BB21 CC30 CC32 CC36 DA05 DB02

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 薄い略矩形状の圧電膜の両面に電極を設
けてなる圧電式アクチュエータにおいて、前記圧電膜の
長さLと幅Wとの比L/Wが20〜200の範囲内であ
ることを特徴とする圧電式アクチュエータ。
1. A piezoelectric actuator comprising electrodes provided on both surfaces of a thin, substantially rectangular piezoelectric film, wherein the ratio L / W of the length L to the width W of the piezoelectric film is in the range of 20 to 200. A piezoelectric actuator characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 前記長さLは、1〜12mmの範囲内で
あることを特徴とする請求項1記載の圧電式アクチュエ
ータ。
2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the length L is in a range of 1 to 12 mm.
【請求項3】 前記厚さTは、5〜100μmの範囲内
であることを特徴とする請求項1または2記載の圧電式
アクチュエータ。
3. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the thickness T is in a range of 5 to 100 μm.
【請求項4】 前記圧電膜が単層型であることを特徴と
する請求項1乃至3のいずれかに記載の圧電式アクチュ
エータ。
4. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric film is of a single-layer type.
【請求項5】 前記圧電膜とこの両面の電極は、それぞ
れ交互に複数枚積み重ねられた積層型であることを特徴
とする請求項1乃至3のいずれかに記載の圧電式アクチ
ュエータ。
5. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric film and the electrodes on both sides of the piezoelectric film are of a stacked type in which a plurality of the piezoelectric films are alternately stacked.
【請求項6】 所定のピッチで配列された複数の吐出液
室と、 前記各吐出液室に設けられてこれに吐出液を供給するた
めの吐出液供給口と、 前記各吐出液室を区画する一側壁に設けられた噴射ノズ
ル孔と、 前記各吐出液室の他の一側壁を区画するように設けた振
動板と、 前記各振動板に設けられた請求項1乃至5のいずれかに
記載された圧電式アクチュエータとを備えるように構成
したことを特徴とする液体吐出ヘッド。
6. A plurality of discharge liquid chambers arranged at a predetermined pitch, a discharge liquid supply port provided in each of the discharge liquid chambers for supplying a discharge liquid thereto, and dividing each of the discharge liquid chambers. 6. An ejection nozzle hole provided on one side wall to be formed, a diaphragm provided so as to partition the other side wall of each of the liquid discharge chambers, and a diaphragm provided on each of the diaphragms. A liquid discharge head comprising: the described piezoelectric actuator.
【請求項7】 前記吐出液がインクであることを特徴と
するインクジェットプリンタ用の液体吐出ヘッド。
7. A liquid discharge head for an ink jet printer, wherein the discharge liquid is ink.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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