JP5001534B2 - Piezoelectric actuator and discharge device - Google Patents
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Description
本発明は、圧電アクチュエータおよび吐出装置に関し、より詳しくは、例えば燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ、あるいは圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタあるいは加速度センサ、ノッキングセンサ、およびAEセンサ等の圧電センサなどに適し、特に、広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した印刷ヘッドとして好適に用いられる圧電アクチュエータおよび吐出装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator and a discharge device, and more specifically, for example, a fuel injection injector, an inkjet printer, or a piezoelectric resonator, an oscillator, an ultrasonic motor, an ultrasonic vibrator, a filter or an acceleration sensor, a knocking sensor, and an AE. More particularly, the present invention relates to a piezoelectric actuator and a discharge device that are suitably used as a print head using spreading vibration, stretching vibration, and thickness vibration.
従来から、圧電性セラミックスを利用した製品としては、例えば圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子(発振子を含む)、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。これらの中で、圧電アクチュエータは電気信号に対する応答速度が10-6秒台と非常に高速であるため、半導体製造装置のXYステージの位置決め用圧電アクチュエータや、圧電方式を利用したインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ等に応用されている。特に、最近のカラープリンタの高速化、低価格化により、インクジェットプリンタ等のインク吐出用圧電アクチュエータへの使用要求が高まっている。 Conventionally, products using piezoelectric ceramics include, for example, piezoelectric actuators, filters, piezoelectric resonators (including oscillators), ultrasonic vibrators, ultrasonic motors, piezoelectric sensors, and the like. Among these, the piezoelectric actuator has a very high response speed to the electric signal of the order of 10 −6 seconds. Therefore, the piezoelectric actuator for positioning the XY stage of the semiconductor manufacturing apparatus or the print head of the ink jet printer using the piezoelectric method is used. It is applied to piezoelectric actuators used in In particular, due to the recent increase in speed and price of color printers, there is an increasing demand for use in piezoelectric actuators for ink ejection such as inkjet printers.
圧電方式を利用したインクジェットプリンタに用いられる印刷ヘッドは、例えば図3示すように、複数のインク流路101が並設され、各インク流路101を仕切る壁として隔壁102を形成した流路部材103上に圧電アクチュエータ104が設けられた構造を有する(特許文献1参照)。
For example, as shown in FIG. 3, a print head used in an inkjet printer using a piezoelectric method includes a plurality of
圧電アクチュエータ104は、上面にコモン電極110が設けられた圧電振動板105上に、圧電セラミックス層106および駆動電極107がこの順に積層され、駆動電極107が圧電セラミックス層106の表面に複数配列されることにより、複数の変位素子108が形成されたものである。この圧電アクチュエータ104は、流路部材103上に、インク流路101と駆動電極107との位置を揃えて取り付けられている。
The
上記のような印刷ヘッドは、コモン電極110と所定の駆動電極107との間に電圧を印加して該駆動電極107直下の圧電セラミックス層106を変位させることにより、インク流路101内のインクを加圧して、流路部材103の底面に開口したインク吐出口109よりインク滴を吐出する。
Print head as described above, by displacing the
ところで、圧電アクチュエータ104は、圧電活性部(変位素子108)と圧電非活性部(変位素子108を除く部位)とが同一平面(圧電振動板105)上に設けられた構成となっている。このような圧電アクチュエータ104を高変位量で駆動させるためには、圧電セラミックスの抗電界を越えた高い駆動電圧を印可し、90°ドメイン反転に伴う非線形変位を伴う必要がある。
しかしながら、圧電セラミックスの抗電界を超えた高い駆動電圧で長時間にわたって駆動し続けると、変位量の低下が生じるという問題がある。
By the way, the
However, there is a problem in that the amount of displacement is reduced if driving is continued for a long time with a high driving voltage exceeding the coercive electric field of piezoelectric ceramics.
上記問題を解決する方法として、特許文献2には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のPbサイトの一部にLaを置換し、Ti・ZrサイトにNb、Ta、Sbのうちの少なくとも一種を置換してPZTをソフト化して変位量を大きくし、かつ酸化クロムを添加して耐久性を向上させた圧電磁器組成物が記載されている。 As a method for solving the above problem, Patent Document 2 describes that La is substituted for a part of Pb site of lead zirconate titanate (PZT), and at least one of Nb, Ta, and Sb is substituted for Ti · Zr site. A piezoelectric ceramic composition is described in which PZT is softened by replacement to increase the amount of displacement, and chromium oxide is added to improve durability.
しかしながら、この文献に記載されているような圧電磁器組成物を用いたとしても、圧電活性部と圧電非活性部とが同一平面上に設けられた構成の圧電アクチュエータの場合には、繰り返し駆動させると、変位が劣化するおそれがある。
本発明の課題は、繰り返し駆動による変位劣化を抑制し、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータおよび吐出装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator and a discharge device that suppress displacement deterioration due to repeated driving and have excellent driving durability.
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、圧電セラミックスに抗電界を超えた高い駆動電圧を印可すると、主に180°ドメイン反転に伴う線形変位と、90°ドメイン反転に伴う非線形変位が発生することが知られているが、このうち90°ドメイン反転に伴う非線形変位においては、元々電圧に対する応答性が悪いことに加え、上記のような圧電活性部と圧電非活性部とが同一平面上に設けられた構成の圧電アクチュエータに、圧電セラミックスの抗電界を超えた高い駆動電圧を印可すると、圧電活性部の圧電振動が該圧電活性部周囲の非活性部により拘束され、さらに、圧電活性部直下の非活性層(圧電振動板)にも拘束されるので、電圧に対する応答性が著しく低下する。そして、この応答性の低下に起因して、連続した電圧印加によって電荷の蓄積が生じ、その結果、圧電セラミックスの圧電活性部の結晶配向が変化したまま戻らなくなり、変位量が徐々に低下するという新たな耐久劣化メカニズムを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor has obtained the following knowledge. That is, it is known that when a high driving voltage exceeding the coercive electric field is applied to the piezoelectric ceramic, a linear displacement mainly accompanying 180 ° domain inversion and a nonlinear displacement accompanying 90 ° domain inversion occur. In the non-linear displacement accompanying 90 ° domain inversion, in addition to the poor responsiveness to the voltage, the piezoelectric actuator having the configuration in which the piezoelectric active portion and the piezoelectric inactive portion are provided on the same plane as described above is applied to the piezoelectric actuator. When a high drive voltage exceeding the coercive electric field of ceramics is applied, the piezoelectric vibration of the piezoelectric active part is constrained by the inactive part around the piezoelectric active part, and further, an inactive layer (piezoelectric vibration plate) immediately below the piezoelectric active part is applied. As a result, the responsiveness to voltage is significantly reduced. Then, due to this decrease in responsiveness, charge accumulation occurs due to continuous voltage application, and as a result, the crystal orientation of the piezoelectric active portion of the piezoelectric ceramic does not return and the amount of displacement gradually decreases. We found a new durability deterioration mechanism.
また、圧電活性部に厚み方向に電圧を印可すると、圧電活性部が面方向に縮み、厚み方向に伸びる振動をする。このとき、圧電振動板の圧電活性部に面する部分と、同一面内の圧電活性部周囲の非活性部に振動が拘束されることになる。これは、振動の拘束は90°ドメイン(格子が横方向から縦方向へ変化)の動きの拘束であり、電荷の動き(電界に対する応答性)を鈍くする事につながる。電荷の動き(電界に対する応答性)をよくするには、拘束力を小さく必要があり、振動板自体を柔らかく(振動板の弾性コンプライアンスS1)すれば拘束力が小さくなるという知見を見出した。 Further, when a voltage is applied to the piezoelectric active part in the thickness direction, the piezoelectric active part contracts in the surface direction and vibrates to extend in the thickness direction. At this time, vibration is constrained by the portion facing the piezoelectric active portion of the piezoelectric diaphragm and the inactive portion around the piezoelectric active portion in the same plane. This is because the vibration constraint is a 90 ° domain motion (lattice changes from the horizontal direction to the vertical direction) motion, and dulls the motion of electric charges (responsiveness to an electric field). In order to improve the movement of electric charges (responsiveness to an electric field), it has been found that the restraining force needs to be small, and if the diaphragm itself is soft (elastic compliance S 1 of the diaphragm), the restraining force becomes small.
そこで、圧電振動板と圧電セラミックス層の弾性コンプライアンスを所定の関係にすることで、繰り返し駆動による変位劣化を抑制することに成功し、圧電アクチュエータの駆動耐久性を向上することが可能となった。
Therefore, by the elastic compliance of the piezoelectric vibrating plate and the piezoelectric ceramics layer in a predetermined relationship, succeeded in suppressing the displacement deterioration due to repeated driving, it becomes possible to improve the driving durability of the piezoelectric actuator .
すなわち、本発明の圧電アクチュエータおよび吐出装置は、以下の構成からなる。
(1)圧電振動板上に、コモン電極、圧電セラミックス層および駆動電極がこの順に積層されており、前記駆動電極は前記圧電セラミックス層の表面に複数配列されていて、この駆動電極と前記コモン電極とで前記圧電セラミックス層を挟持することで構成されている複数の変位素子を、前記コモン電極および駆動電極の間に駆動電圧を印加することで変位させる圧電アクチュエータであって、前記圧電振動板の弾性コンプライアンスS1が、前記圧電セラミックス層の弾性コンプライアンスS2よりも大きく、且つS 1 が1.35×10 -11 〜1.51×10 -11 m 2 /Nであり、S 2 が1.31×10 -11 〜1.47×10 -11 m 2 /Nであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
(2)S 1/S2が、1.03以上である前記(1)記載の圧電アクチュエータ。
(3)前記圧電振動板および前記圧電セラミックス層の主成分が同一であり、前記圧電振動板の気孔率が2〜9%であり、前記圧電セラミックス層の気孔率が2%以下である前記(1)または(2)記載の圧電アクチュエータ。
(4)前記圧電振動板および前記圧電セラミックス層がチタン酸ジルコン酸鉛であり、前記圧電振動板の格子定数比をc1/a1、前記圧電セラミックス層の格子定数比をc2/a2としたときに、c2/a2が1.010〜1.016であり、且つc1/a1の値よりも大きい前記(1)〜(3)のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
(5)前記変位素子を、前記圧電セラミックス層の抗電界に対して1.0〜1.5倍の駆動電圧で変位させる前記(1)〜(4)のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
(6)前記(1)〜(5)のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、圧力発生室と、液体流路と、液体吐出口とを有する流路部材上に取り付けてなることを特徴とする吐出装置。
(7)印刷ヘッドに用いる前記(6)記載の吐出装置。
That is, the piezoelectric actuator and the discharge device of the present invention have the following configurations.
(1) to the piezoelectric vibrating plate, the common electrode, the piezoelectric ceramics layers and driving electrodes are laminated in this order, wherein the drive electrodes have been several arranged on the surface of the piezoelectric ceramics layer, and the driving electrodes a plurality of displacement elements Ru Tei is constructed by sandwiching the piezoelectric ceramics layer and the common electrode, a piezoelectric actuator which displaces by applying a driving voltage between the common electrode and the drive electrodes, the elastic compliance S 1 of the piezoelectric vibrating plate, the much larger than the elastic compliance S 2 of the piezoelectric ceramic layer, a and S 1 is 1.35 × 10 -11 ~1.51 × 10 -11 m 2 / N, A piezoelectric actuator, wherein S 2 is 1.31 × 10 −11 to 1.47 × 10 −11 m 2 / N.
(2) The piezoelectric actuator according to (1), wherein S 1 / S 2 is 1.03 or more.
(3) The main components of the piezoelectric diaphragm and the piezoelectric ceramic layer are the same, the porosity of the piezoelectric diaphragm is 2 to 9%, and the porosity of the piezoelectric ceramic layer is 2% or less ( The piezoelectric actuator according to 1) or (2) .
(4) In the case of the piezoelectric diaphragm and the piezoelectric ceramic layer is lead zirconate titanate, the c 1 / a 1 a lattice constant ratio of the piezoelectric diaphragm, the lattice constant ratio of the piezoelectric ceramic layer c 2 / a 2 The piezoelectric actuator according to any one of (1) to (3) , wherein c 2 / a 2 is 1.010 to 1.016 and is greater than the value of c 1 / a 1 .
(5) the displacement element, the piezoelectric actuator according to any one of the displacing at 1.0 to 1.5 times the driving voltage to the coercive field of the piezoelectric ceramic layer (1) to (4).
(6) The piezoelectric actuator according to any one of (1) to (5) is mounted on a flow path member having a pressure generation chamber, a liquid flow path, and a liquid discharge port. Discharge device.
(7) The ejection device according to (6), which is used for a print head.
本発明によれば、圧電活性部と圧電非活性部とが同一平面上に設けられた構成の圧電アクチュエータにおいて、圧電振動板の弾性コンプライアンスS1が、圧電セラミックス層の弾性コンプライアンスS2よりも大きいので、上記した圧電活性部の圧電振動の拘束が低減され、電圧印加による90°ドメイン反転の応答性を向上させることができ、連続した電圧印加による電荷の蓄積が抑制されるので、繰り返し駆動による変位劣化が抑制され、駆動耐久性および長期信頼性に優れた圧電アクチュエータおよび印刷ヘッドに好適な吐出装置が得られるという効果がある。しかも、変位に寄与する90°ドメイン反転量を多くすることができるので、上記(5)記載のように、駆動電圧を小さく設定しても、大きな変位量を示すことができる。また、振動板を高弾性にしておくことは、振動板として撓みやすくなるという効果が得られる。
According to the present invention, in the piezoelectric actuator having the piezoelectric active portion and the piezoelectric inactive portion provided on the same plane, the elastic compliance S 1 of the piezoelectric diaphragm is larger than the elastic compliance S 2 of the piezoelectric ceramic layer. Therefore, the restraint of piezoelectric vibration of the piezoelectric active portion described above can be reduced, the response of 90 ° domain inversion by voltage application can be improved, and charge accumulation by continuous voltage application can be suppressed, so that repeated drive Displacement deterioration is suppressed, and there is an effect that a discharge device suitable for a piezoelectric actuator and a print head excellent in driving durability and long-term reliability is obtained. In addition, since the 90 ° domain inversion amount that contributes to the displacement can be increased, a large displacement amount can be exhibited even if the drive voltage is set small as described in (5) above. Further, if the diaphragm is made highly elastic, an effect that the diaphragm is easily bent can be obtained.
上記(3)記載によれば、前記圧電振動板の気孔率が3〜8%であるので、圧電活性部の圧電振動の拘束を低減し、十分な弾性体として機能すると共に、圧電振動板としての強度を確保することができる。また、前記圧電セラミックス層の気孔率を2%以下とすることによって、大きな変位量を得るための圧電材料の圧電定数を保持することができる。しかも、圧電振動板と圧電セラミックス層に略同一の圧電材料組成を用いることができる。上記(4)記載によれば、略同一の圧電材料組成を用いることが可能となり、例えばZr、Tiの組成比を変えること等によって、格子定数比を上記の範囲に設定することができるので、簡単にドメイン反転の応答性を向上することができる。
According to the above (3), since the porosity of the piezoelectric diaphragm is 3 to 8%, the piezoelectric vibration restraint of the piezoelectric active part is reduced, and the piezoelectric diaphragm functions as a sufficient elastic body, and as a piezoelectric diaphragm. The strength of the can be ensured. Further, by setting the porosity of the piezoelectric ceramic layer to 2% or less, the piezoelectric constant of the piezoelectric material for obtaining a large amount of displacement can be maintained. Moreover, substantially the same piezoelectric material composition can be used for the piezoelectric diaphragm and the piezoelectric ceramic layer. According to the above description (4), it is possible to use substantially the same piezoelectric material composition, and for example, by changing the composition ratio of Zr and Ti, the lattice constant ratio can be set in the above range. The responsiveness of domain inversion can be improved easily.
<圧電アクチュエータ>
以下、本発明の圧電アクチュエータの一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態の圧電アクチュエータを示す拡大概略断面図である。同図に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ1は、圧電振動板2、コモン電極3、圧電セラミックス層4および駆動電極5で構成されており、圧電振動板2上に、コモン電極3、圧電セラミックス層4および駆動電極5をこの順に積層したものである。
<Piezoelectric actuator>
Hereinafter, an embodiment of a piezoelectric actuator of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an enlarged schematic cross-sectional view showing the piezoelectric actuator of the present embodiment. As shown in the figure, the piezoelectric actuator 1 of this embodiment, the piezoelectric vibrating plate 2, the
コモン電極3および駆動電極5は、圧電アクチュエータ1の電極を構成するものであり、駆動電極5は、圧電セラミックス層4の表面に、それぞれ独立した状態で複数形成されている。これにより、コモン電極3および駆動電極5で圧電セラミックス層4を挟持して構成される変位素子6が、圧電振動板2上に複数配列される。
The
上記のような圧電アクチュエータ1は、圧電活性部(変位素子6)と圧電非活性部(変位素子6を構成しない部分のコモン電極3および圧電セラミックス層4)とが同一平面(圧電振動板2)上に設けられた構成であり、駆動電極5にリード線を接続し、該リード線を外部電源と電気的に接続し、コモン電極3および駆動電極5の間に駆動電圧を印加することにより変位素子6が変位する。
The piezoelectric actuator as described above 1, the piezoelectric active section (displacement element 6) and the piezoelectric non-active portion (
圧電アクチュエータ1の高さは、特に限定されるものではないが、好ましくは100μm以下であるのがよい。このように薄層にすることで、大きな変位を得ることができ、低電圧で高効率の駆動を実現できる。特に、圧電アクチュエータ1としての特性を十分に発揮できる点で、好ましくは80μm以下、より好ましくは65μm以下、さらに好ましくは50μm以下であるのがよい。一方、高さの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱いおよび作動中の破壊を防止するため、3μm、好ましくは5μm、より好ましくは10μm、さらに好ましくは20μmであるのがよい。また、圧電振動板2および圧電セラミックス層4の高さは5〜50μm程度、好ましくは10〜30μm程度であるのがよい。
The height of the piezoelectric actuator 1 is not particularly limited, but is preferably 100 μm or less. By using such a thin layer, a large displacement can be obtained and high-efficiency driving can be realized at a low voltage. In particular, it is preferably 80 μm or less, more preferably 65 μm or less, and even more preferably 50 μm or less in that the characteristics as the piezoelectric actuator 1 can be sufficiently exhibited. On the other hand, the lower limit of the height is 3 μm, preferably 5 μm, more preferably 10 μm, and even more preferably 20 μm in order to have sufficient mechanical strength and prevent breakage during handling and operation. The height of the piezoelectric vibrating plate 2 and the
圧電振動板2としては、絶縁性の高いものであればよいが、好ましくは圧電セラミックスからなる圧電セラミックス層で構成されるのがよく、より好ましくは、圧電活性部および非活性部を備える圧電セラミックス層4と主成分が略同一の材料からなるのがよい。該主成分としてはPb、Zr、Tiを含むことが、高い変位を得るために好ましい。
The piezoelectric vibrating plate 2, but may be those having high insulating property, piezoelectric preferably may be composed of piezoelectric ceramics layers made of a piezoelectric ceramic, more preferably, comprises a piezoelectric active portion and the inactive portion The
本発明における圧電セラミックスとは、圧電性を示すセラミックスを意味し、例えばBi層状化合物やタングステンブロンズ構造物質、Nb酸アルカリ化合物のペロブスカイト構造化合物、Pbを含有するジルコン酸チタン酸鉛(PZT)やチタン酸鉛等を含有するペロブスカイト構造化合物を例示できるが、これら中でもPbを含むジルコン酸チタン酸鉛(PZT)やチタン酸鉛が、電極との濡れ性を高め、電極との密着強度を高める点で好適である。 The piezoelectric ceramic in the present invention means a ceramic exhibiting piezoelectricity, for example, Bi layered compound, tungsten bronze structure material, perovskite structure compound of alkali Nb acid compound, lead zirconate titanate (PZT) or titanium containing Pb. Perovskite structure compounds containing lead acid can be exemplified, but among these, lead zirconate titanate (PZT) and lead titanate containing Pb enhance wettability with the electrode and increase adhesion strength with the electrode. Is preferred.
即ち、Aサイト構成元素としてPbを含有し、且つ、Bサイト構成元素としてZr及び/又はTiを含有する結晶であり、特に、チタン酸ジルコン酸鉛系化合物であることが、より高いd定数を有する安定な圧電焼結体を得るために好ましい。 That is, it is a crystal containing Pb as an A site constituent element and Zr and / or Ti as a B site constituent element. In particular, a lead zirconate titanate-based compound has a higher d constant. This is preferable for obtaining a stable piezoelectric sintered body.
また、上記圧電セラミックスが、Sr、Ba、Ni、Sb、Nb、Zn、Yb及びTeのうち少なくとも1種を含むことが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体(圧電アクチュエータ1)を得ることができ、例えば副成分としてPb(Zn1/3Sb2/3)O3及びPb(Ni1/2Te1/2)O3とを固溶してなるものを例示できる。 The piezoelectric ceramic preferably contains at least one of Sr, Ba, Ni, Sb, Nb, Zn, Yb, and Te. Thereby, a more stable piezoelectric sintered body (piezoelectric actuator 1) can be obtained. For example, Pb (Zn 1/3 Sb 2/3 ) O 3 and Pb (Ni 1/2 Te 1/2 ) are used as subcomponents. The thing formed by solid solution of O 3 can be exemplified.
特に、Aサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有することが望ましい。アルカリ土類元素としては、特にBa、Srが高い変位を得られる点で好ましく、Baを0.02〜0.08モル、Srを0.02〜0.12モル含むことが特に耐応力性が高く、大きな変位を得るのに有効である。 In particular, it is desirable to further contain an alkaline earth element as the A site constituent element. As the alkaline earth element, Ba and Sr are particularly preferable in that a high displacement can be obtained, and it is particularly preferable that Ba is contained in 0.02 to 0.08 mol and Sr is contained in 0.02 to 0.12 mol. High and effective in obtaining large displacement.
上記のような圧電セラミックスとしては、例えば、Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3Sb2/3)a(Ni1/2Te1/2)bZr1-a-b-cTicO3+αwt%Pb1/2NbO3(0≦x≦0.14、0≦y≦0.14、0.05≦a≦0.1、0.002≦b≦0.01、0.44≦c≦0.50、α=0.1〜1.0)で表されものが挙げられる。
As the piezoelectric ceramics as described above, for example, Pb 1-xy Sr x Ba y (Zn 1/3 Sb 2/3) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr 1-abc
本発明にかかる圧電振動板2の弾性コンプライアンスS1は、圧電セラミックス層4の弾性コンプライアンスS2よりも大きい。これにより、圧電活性部と圧電非活性部とが同一平面上に設けられた構成の圧電アクチュエータであっても、圧電活性部の圧電振動の拘束が低減され、電圧印加による90°ドメイン反転の応答性が向上し、連続した電圧印加による電荷の蓄積が抑制され、繰り返し駆動による変位劣化が抑制される。具体的には、例えば圧電セラミックス層4の弾性コンプライアンスS2に対する圧電振動板2の弾性コンプライアンスS1の比S1/S2が1.03以上、好ましくは1.03〜1.16、より好ましくは1.10〜1.16であるのがよい。
The elastic compliance S 1 of the piezoelectric diaphragm 2 according to the present invention is larger than the elastic compliance S 2 of the piezoelectric
また、圧電振動板2の弾性コンプライアンスS1は1.35×10 -11 〜1.51×10 -11 m 2 /N、好ましくは1.35×10 -11 〜1.40×10 -11 m 2 /Nであり、圧電セラミックス層4の弾性コンプライアンスS2は1.31×10 -11 〜1.47×10 -11 m 2 /N、好ましくは1.31×10 -11 〜1.38×10 -11 m 2 /Nであるのがよく、これらの範囲内で弾性コンプライアンスS1,S2を上記の関係にすればよい。本発明における前記弾性コンプライアンスとは、圧電セラミックスの柔らかさを意味するものであり、インピーダンスゲインフェーズアナライザーで測定される共振周波数と圧電セラミックスの体積、重量から得られる密度とから算出される値である。
The elastic compliance S 1 of the piezoelectric diaphragm 2 is 1. 35 × 10 −11 to 1.51 × 10 −11 m 2 / N , preferably 1.35 × 10 −11 to 1.40 × 10 −11 m 2 / N , and the elastic compliance S of the piezoelectric ceramic layer 4 2 1.3 1 × 10 -11 ~1.47 × 10 -11 m 2 / N, is the well preferably 1.31 × 10 -11 ~1.38 × 10 -11 m 2 / N, Within these ranges, the elastic compliances S 1 and S 2 may have the above relationship. The elastic compliance in the present invention means the softness of the piezoelectric ceramic, and is a value calculated from the resonance frequency measured by the impedance gain phase analyzer and the density obtained from the volume and weight of the piezoelectric ceramic. .
弾性コンプライアンスS1,S2を所定の関係にした本発明にかかる圧電アクチュエータ1は、変位に寄与する90°ドメイン反転量を多くすることができるので、駆動電圧を小さく設定しても、大きな変位量を示すことができる。具体的には、例えば圧電アクチュエータ1にかかる変位素子6は、変位素子6の抗電界に対して1.0〜1.5倍、好ましくは1.0〜1.2倍の駆動電圧で、所定の変位量で変位することができる。
The piezoelectric actuator 1 according to the present invention in which the elastic compliances S 1 and S 2 have a predetermined relationship can increase the 90 ° domain inversion amount that contributes to the displacement. Therefore, even if the drive voltage is set small, the large displacement The amount can be indicated. Specifically, for example, the
ここで、圧電振動板2と圧電セラミックス層4の主成分が略同一の材料からなる場合において、圧電振動板2の弾性コンプライアンスS1を圧電セラミックス層4の弾性コンプライアンスS2より大きくするには、例えば圧電振動板2と圧電セラミックス層4の気孔率を所定の値にすればよい。
Here, in the case where the main components of the piezoelectric diaphragm 2 and the piezoelectric
具体的には、圧電振動板2の気孔率が2〜9%、好ましくは3〜8%であり、圧電セラミックス層4の気孔率が2%以下であるのがよい。これにより、圧電振動板2と圧電セラミックス層4の主成分が略同一の材料からなる場合であっても、弾性コンプライアンスS1,S2を上記の関係にすることができる。また、簡単に上記比S1/S2を1.03以上とすることができ、圧電活性部の圧電振動の拘束を低減し、十分な弾性体として機能する圧電振動板2を得ることができる。なお、圧電振動板2の気孔率の上限値を9%とするのは、振動板としての曲げ強度を確保するためである。
Specifically, the porosity of the piezoelectric diaphragm 2 is 2 to 9%, preferably 3 to 8%, and the porosity of the piezoelectric
圧電振動板2の気孔率を2〜9%とするには、圧電セラミックスの一次原料混合粉末を仮焼合成する際に、焼成温度の約94〜97%以上(対焼成温度比0.94〜0.97以上)の温度で仮焼合成を行えばよく、圧電セラミックス層4の気孔率を2%以下にするには、焼成温度の約85〜93%(対焼成温度比0.85〜0.93)の温度で仮焼合成を行えばよい。このように、仮焼合成温度を変えることによって、焼結性を変えることができ、その結果、簡単に気孔率を変えることができる。なお、本発明における仮焼温度の設定は、これに限るものではなく、圧電セラミックスの組成、原料粒径等によって当然変わり得るものである。
In order to set the porosity of the piezoelectric diaphragm 2 to 2 to 9%, when the primary raw material mixed powder of the piezoelectric ceramic is calcined and synthesized, the firing temperature is about 94 to 97% or more (vs. firing temperature ratio 0.94 to It may be performed calcination synthesis at a temperature of 0.97 or higher), to the porosity of the
前記気孔率は、圧電振動板2,圧電セラミックス層4を切断し、その断面に鏡面加工を施し、倍率2000倍の断面鏡面画像から画像処理によって気孔面積を算出して得られる値である。
The porosity is a value obtained by cutting the piezoelectric diaphragm 2 and the piezoelectric
また、圧電振動板2と圧電セラミックス層4の主成分が略同一の材料からなる場合において、弾性コンプライアンスS1,S2を上記した所定の関係にするには、上記した気孔率に代えて、例えば圧電振動板2と圧電セラミックス層4の格子定数比を所定の値および関係にすればよい。
Further, in the case where the main components of the piezoelectric diaphragm 2 and the piezoelectric
具体的には、圧電セラミックス層4の格子定数比c2/a2が1.010〜1.016であり、かつ圧電振動板2の格子定数比c1/a1の値よりも大きいのが好ましい。各格子定数比を、このような値および関係にすることで、弾性コンプライアンスS1,S2を上記の関係にすることができる。なお、前記格子定数比は、同じ圧電材料組成をもちいた場合には、例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT)組成中のZrとTiの比を変えることによって、簡単に前記格子定数比にすることができ、それぞれの圧電セラミックス層に対応する組成比を選択することによって得られる。
Specifically, the lattice constant ratio c 2 / a 2 of the piezoelectric
ここで、圧電振動板2の格子定数比c1/a1の値は1.008〜1.013、好ましくは1.008〜1.010であるのがよい。また、格子定数比c1/a1およびc2/a2は、圧電振動板2および圧電セラミックス層4のそれぞれをXRD(X線回折法)測定から得られたピークチャートよりa軸配向を示す(200)配向面の面間隔[d(200)]と、c軸配向を示す(002)配向面の面間隔[d(002)]を導出し、その比率[d(002)]/[d(200)]から算出される値である。
Here, the value of the lattice constant ratio c 1 / a 1 of the piezoelectric diaphragm 2 is 1.008 to 1.013, preferably 1.008 to 1.010. The lattice constant ratio c 1 / a 1 and c 2 / a 2 is the a-axis orientation than the peak chart obtained each piezoelectric vibrating plate 2 and the
コモン電極3としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えばAu、Ag、Pd、Pt、Cu、Al、Rh、Niの単独又はこれらの少なくとも1種以上を主成分とする合金を用いることができ、合金としては、例えばAg−Pd合金等が例示できる。また、コモン電極3の高さは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、一般に0.5〜5μm程度、好ましくは1〜3μmであるのがよい。
The
駆動電極5としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、上記コモン電極3で例示したものと同じものが挙げられる。また、駆動電極5の高さは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、例えば0.1〜2μm程度、好ましくは0.1〜1.0μm、より好ましくは0.1〜0.5μmであるのがよい。
The driving
<圧電アクチュエータの製造方法>
次に、本発明の圧電アクチュエータの製造方法について説明する。
(第1の工程)
まず、原料として、例えばPb1-x-ySrxBay(Zn1/3Sb2/3)a(Ni1/2Te1/2)bZr1-a-b-cTicO3+αwt%Pb1/2NbO3(0≦x≦0.14、0≦y≦0.14、0.05≦a≦0.1、0.002≦b≦0.01、0.44≦c≦0.50、α=0.1〜1.0)で示される組成になるように一次原料を秤量し、ボールミルにて混合粉砕を行い、一次原料混合粉末を調製する。ここで、平均粒子径は1μm以下、より望ましくは0.7μm以下としておくと、一次原料がより均一に混合される上で好ましい。
<Method for manufacturing piezoelectric actuator>
Next, the manufacturing method of the piezoelectric actuator of this invention is demonstrated.
(First step)
First, as a raw material, for example Pb 1-xy Sr x Ba y (Zn 1/3 Sb 2/3) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr 1-abc
次に、上記で調製した一次原料混合粉末を、所定の仮焼温度で仮焼合成し、ついで、ボールミルにて粉砕して複数の所定の仮焼粉末を調製する。仮焼粉末の平均粒子径は、上記一次原料混合粉末と同様に1μm以下、より望ましくは平均粒子径0.7μm以下であるのがよい。 Next, the primary raw material mixed powder prepared above is calcined at a predetermined calcining temperature and then pulverized with a ball mill to prepare a plurality of predetermined calcined powders. The average particle size of the calcined powder is 1 μm or less, more preferably the average particle size is 0.7 μm or less, like the primary raw material mixed powder.
ここで、上述の通り、仮焼温度を変えることにより、一次原料混合粉末から複数の所定の仮焼粉末を得ることができる。また、上記式中のa,b,cを調整して組成を変更した複数の一次原料混合粉末を用意し、これら複数の一次原料混合粉末を、それぞれ所定の仮焼温度で仮焼合成し、ボールミルにて粉砕して複数の仮焼粉末を調製てもよい。 Here, as described above, a plurality of predetermined calcined powders can be obtained from the primary raw material mixed powder by changing the calcining temperature. Further, a plurality of primary raw material mixed powders whose compositions are changed by adjusting a, b, and c in the above formula are prepared, and the plurality of primary raw material mixed powders are calcined and synthesized at a predetermined calcining temperature, respectively. A plurality of calcined powders may be prepared by pulverizing with a ball mill.
(第2の工程)
上記で調製した各仮焼粉末と有機バインダ成分を混合し、シート成形用のスラリーを調製する。ついで、この成形用スラリーを用いてロールコータ法、スリットコータ法、ドクターブレード法等の一般的なシート成形法によりテープ状の各グリーンシートを必要枚数作製する。なお、前記グリーンシートは、圧電セラミックス層となり得るグリーンシートと、圧電振動板となり得るグリーンシートに分けて用いられる。
(Second step)
Each calcined powder prepared above and an organic binder component are mixed to prepare a sheet forming slurry. Next, the required number of tape-like green sheets are prepared by a general sheet forming method such as a roll coater method, a slit coater method, or a doctor blade method, using this forming slurry. The green sheet is divided into a green sheet that can be a piezoelectric ceramic layer and a green sheet that can be a piezoelectric diaphragm.
(第3の工程)
次に、上記コモン電極で例示した電極材料を含有するコモン電極ペーストを作製する。このコモン電極ペーストには、電極材料(Au、Agなど)の他、エチルセルロースなどの有機ビヒクルなどの成分が含まれる。そして、上記で作製したグリーンシートのうち、焼成により圧電振動板となるグリーンシートの一方の表面に、コモン電極ペーストをスクリーン印刷等の方法で印刷する。
(Third step)
Next, a common electrode paste containing the electrode material exemplified for the common electrode is prepared. This common electrode paste contains components such as an organic material such as ethyl cellulose in addition to electrode materials (Au, Ag, etc.). Then, a common electrode paste is printed by a method such as screen printing on one surface of the green sheet produced as described above to become a piezoelectric diaphragm by firing.
(第4の工程)
第2の工程および第3の工程で作製したグリーンシートを積層し、密着させて積層体を作製する。なお、密着を行う手法としては、接着成分の含まれた密着液使用による方法、加熱によりグリーンシート中の有機バインダ成分に接着性を持たせて密着する方法、加圧だけで密着させる方法等が例示できる。
(Fourth process)
The green sheets produced in the second step and the third step are laminated and brought into close contact to produce a laminate. In addition, as a method of performing adhesion, there are a method using an adhesion liquid containing an adhesive component, a method of adhering the organic binder component in the green sheet by adhesion, a method of adhering only by pressure, and the like. It can be illustrated.
(第5の工程)
第4の工程で得られた積層体を10〜50MPaの圧力で加圧した後、所望の形状にカットする。これを400℃程度で脱バインダーを行い、ついで、(高濃度)酸素雰囲気中において、900〜1100℃において焼成して圧電アクチュエータ本体を得る。
(Fifth step)
After the laminated body obtained in the fourth step is pressurized at a pressure of 10 to 50 MPa, it is cut into a desired shape. This is debindered at about 400 ° C., and then fired at 900 to 1100 ° C. in a (high concentration) oxygen atmosphere to obtain a piezoelectric actuator body.
(第6の工程)
第5の工程で得られた圧電アクチュエータ本体の表面に、駆動電極パターンをスクリーン印刷等の方法で印刷し、500〜800℃、好ましくは650〜800℃で焼き付け処理を行うことにより、個別電極が形成される。そして、圧電セラミックス層を分極して積層圧電体である圧電アクチュエータが得られる。
(Sixth step)
A drive electrode pattern is printed on the surface of the piezoelectric actuator main body obtained in the fifth step by a method such as screen printing, and a baking process is performed at 500 to 800 ° C, preferably 650 to 800 ° C. It is formed. The piezoelectric actuator is obtained a laminated piezoelectric body polarized piezoelectric ceramics layer.
<吐出装置・印刷ヘッド>
本発明の圧電アクチュエータは駆動耐久性に優れていると共に、一基板(振動板)上に複数の変位素子を備えているので、該圧電アクチュエータを、圧力発生室と、液体流路と、液体吐出口とを有する流路部材上に取り付けてなる吐出装置に好適に用いることができる。このような吐出装置としては、例えばインクジェット方式を利用した記録装置に用いられる印刷ヘッド等が挙げられる。以下、本発明の圧電アクチュエータを備えた印刷ヘッドの一実施形態について説明する。
<Discharge device / printing head>
The piezoelectric actuator of the present invention is excellent in driving durability and has a plurality of displacement elements on one substrate (vibrating plate). Therefore, the piezoelectric actuator includes a pressure generating chamber, a liquid flow path, and a liquid discharge port. It can use suitably for the discharge apparatus attached on the flow-path member which has an exit. Examples of such a discharge device include a print head used in a recording device using an inkjet method. Hereinafter, an embodiment of a print head including the piezoelectric actuator of the present invention will be described.
図2(a)は、本実施形態の印刷ヘッド示す概略断面図であり、図2(b)は、その平面図である。なお、図2(a),(b)においては、前述した図1の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。 FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing the print head of this embodiment, and FIG. 2B is a plan view thereof. In FIGS. 2A and 2B, the same or equivalent parts as those in FIG. 1 described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図2(a)、(b)に示すように、インクジェット用の印刷ヘッド20は、複数のインク加圧室13aが並設され、各インク加圧室13aを仕切る壁として隔壁13bを形成した流路部材13上に上記で説明した圧電アクチュエータ1が接合されている。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the ink
流路部材13は圧延法等により得られ、インク吐出孔18およびインク加圧室13aはエッチングにより所定の形状に加工されて設けられる。この流路部材13は、Fe―Cr系、Fe−Ni系、WC−TiC系の群から選ばれる少なくとも1種によって形成されていることが望ましく、特にインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましく、Fe−Cr系がより好ましい。
The
流路部材13と圧電アクチュエータ1との接合は、圧電振動板2がインク流路13aの空間と当接するように接着剤等を用いて行い、より具体的には、変位素子6の各駆動電極5と、各インク流路13aとが対応するように接合される。
The
すなわち、このインクジェット用の印刷ヘッド20は、圧電振動板2上に、コモン電極3、圧電セラミックス層4および駆動電極5がこの順に積層され、圧電アクチュエータ1をインク流路13aの直上に駆動電極5が配置されるように流路部材13に接着したものである。
That is, the
そして、外部の駆動回路によりコモン電極3と所定の駆動電極5との間に電圧が印加されると、電圧が印加された駆動電極5直下の圧電セラミックス層4が変位して、インク加圧室13a内のインクが加圧され、インク吐出孔18よりインク滴が吐出される。
When a voltage is applied between the
このような印刷ヘッド20のアクチュエータとして、本発明の積層圧電体である圧電アクチュエータを用いることによって、安価なICを用いて印刷ヘッドを実現することができる。この印刷ヘッドは変位特性に優れるので、高速で高精度な吐出というという特徴が得られ、その結果、高速印刷に好適な印刷ヘッドを提供することができる。また、本発明の印刷ヘッドをプリンタに搭載することによって、例えば上記の印刷ヘッドにインクを供給するインクタンクと、記録紙に印刷するための記録紙搬送機構とを備えているプリンタは、従来に比べて高速・高精度の印刷を容易に達成することができる。
By using the piezoelectric actuator that is the laminated piezoelectric body of the present invention as the actuator of such a
なお、上記で説明した実施形態では、気孔率と格子定数比をそれぞれ別々に適用し、圧電振動板2の弾性コンプライアンスS1が、圧電セラミックス層4の弾性コンプライアンスS2よりも大きい関係とする場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、気孔率と格子定数比を組み合わせて、弾性コンプライアンスS1,S2を所定の関係にしてもよい。
In the embodiment described above, the porosity and the lattice constant ratio are applied separately, and the elastic compliance S 1 of the piezoelectric diaphragm 2 is larger than the elastic compliance S 2 of the piezoelectric
また、圧電振動板2と圧電セラミックス層4の主成分が略同一の材料からなる場合において、気孔率や格子定数比を所定の値や関係とする場合について説明したが、圧電振動板2と圧電セラミックス層4の主成分が異なる場合であっても、特に制限されることなく、気孔率や格子定数比を上記した所定の値や関係にしてもよい。
Further, in the case where the main components of the piezoelectric diaphragm 2 and the piezoelectric
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to a following example.
[実施例]
<圧電アクチュエータの作成>
まず、原料として表1に示す原料組成で純度99%以上のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を含有する圧電セラミックス粉末(一次原料混合粉末)を準備した。そして、準備したセラミックス粉末を表1に示す仮焼温度で仮焼合成し、各仮焼粉末を調製した。
[Example]
<Creation of piezoelectric actuator>
First, piezoelectric ceramic powder (primary raw material mixed powder) containing lead zirconate titanate (PZT) with a raw material composition shown in Table 1 and having a purity of 99% or more was prepared as a raw material. And the prepared ceramic powder was calcined and synthesized at the calcining temperature shown in Table 1 to prepare each calcined powder.
上記で調製した各仮焼粉末を用いて、グリーンシート(圧電セラミックス層用および圧電振動板用)を作製した。すなわち、各仮焼粉末に、水系バインダーとしてポリブチルメタクリレート、分散剤にポリカルボン酸アンモニウム塩、溶剤にイソプロピルアルコールと純水を各々添加して混合し、このスラリーをドクターブレード法によりキャリアフィルム上に塗布して、厚さ30μmのシート形状にて各グリーンシートをそれぞれ作製した(表1中のNo.A〜I)。
Using each calcined powder prepared above, to prepare a green sheet (piezoelectric ceramics layer and the piezoelectric vibrating plate). That is, to each calcined powder, polybutyl methacrylate as an aqueous binder, polycarboxylic acid ammonium salt as a dispersant, isopropyl alcohol and pure water as a solvent are added and mixed, and this slurry is applied onto a carrier film by a doctor blade method. Each green sheet was prepared in a sheet shape having a thickness of 30 μm by coating (Nos. A to I in Table 1).
ついで、上記で作製した各グリーンシートを表2に示す組み合わせで用いた。すなわち、コモン電極ペーストを、圧電振動板用のグリーンシートの表面に厚さ4μmで印刷し、コモン電極を形成した。更に、コモン電極が印刷された面を上向きにして圧電振動板用グリーンシートの上に圧電セラミックス層用グリーンシートを積層し、加圧プレスして積層体を得た。
Next, the green sheets prepared above were used in combinations shown in Table 2. That is, the common electrode paste was printed at a thickness of 4 μm on the surface of the green sheet for the piezoelectric diaphragm to form the common electrode. Further, the green sheet for the piezoelectric ceramics layer laminated on the green sheet for a piezoelectric vibrating plate in the upward surface on which the common electrode is printed to obtain a layered product by pressure press.
この積層体を脱脂処理した後に、980℃、酸素99%以上の雰囲気中で4時間保持して焼結し、圧電アクチュエータ本体を作製した。ついで、このアクチュエータ本体の表面の片側に駆動電極を形成した。駆動電極は、スクリーン印刷にてAuペーストを塗布した。これを600〜800℃で大気中で焼付けて形成した。最後に、該駆動電極にリード線を半田で接続し、図1に示すような形状の圧電素子である圧電アクチュエータを作製した(表2の試料No.1〜27)。なお、表2中の「S1/S2」は、圧電セラミックス層の弾性コンプライアンスS2に対する圧電振動板の弾性コンプライアンスS1の比S1/S2を示している。 After degreasing the laminate, the laminate was sintered in an atmosphere of 980 ° C. and oxygen 99% or more for 4 hours to produce a piezoelectric actuator body. Next, a drive electrode was formed on one side of the surface of the actuator body. The drive electrode applied Au paste by screen printing. This was formed by baking at 600 to 800 ° C. in the air. Finally, lead wires were connected to the drive electrodes with solder to produce piezoelectric actuators that are piezoelectric elements having a shape as shown in FIG. 1 (Sample Nos. 1 to 27 in Table 2). In Table 2, “S 1 / S 2 ” indicates the ratio S 1 / S 2 of the elastic compliance S 1 of the piezoelectric diaphragm to the elastic compliance S 2 of the piezoelectric ceramic layer.
表1中のNo.A〜Iの焼結体の格子定数比c/a、気孔率および弾性コンプライアンスは以下の方法で測定した。その測定結果を表1に示す。
(格子定数比c/a)
格子定数比c/aは、XRD(X線回折法)測定から得られたピークチャートよりa軸配向を示す(200)配向面の面間隔[d(200)]と、c軸配向を示す(002)配向面の面間隔[d(002)]を導出し、その比率[d(002)]/[d(200)]から求めた。
No. in Table 1 The lattice constant ratio c / a, porosity and elastic compliance of the sintered bodies A to I were measured by the following methods. The measurement results are shown in Table 1.
(Lattice constant ratio c / a)
The lattice constant ratio c / a indicates the (200) orientation spacing [d (200)] indicating the a-axis orientation from the peak chart obtained from the XRD (X-ray diffraction method) measurement and the c-axis orientation ( 002) The interplanar spacing [d (002)] of the orientation plane was derived and obtained from the ratio [d (002)] / [d (200)].
(気孔率)
気孔率は、各焼結体を切断し、その断面に鏡面加工を施し、倍率2000倍の断面鏡面画像から画像処理によって得られた気孔面積を視野面積に対する百分比率で示したものである。
(Porosity)
The porosity is obtained by cutting each sintered body, mirror-treating the cross section thereof, and indicating the pore area obtained by image processing from a cross-sectional mirror image with a magnification of 2000 times as a percentage of the visual field area.
(弾性コンプライアンス)
弾性コンプライアンスは、作製した積層焼結体の各層を水中での電気分解を利用したコモン電極(内部電極)と圧電セラミックス層の剥離を行い、それぞれの層の弾性コンプライアンスを測定した。剥離した圧電セラミックス層の表裏面にAu蒸着を100nm程度形成した後、外辺を2.5mm×10mmに加工し、試験片を作製した。測定はアジレントテクノロジー社製インピーダンスゲインフェーズアナライザ4194aから測定される共振周波数と、体積と重量より算出される密度を測定し、下記式(I)から算出した。
For the elastic compliance, each layer of the produced laminated sintered body was peeled off from the common electrode (internal electrode) utilizing electrolysis in water and the piezoelectric ceramic layer, and the elastic compliance of each layer was measured. After forming Au deposition on the front and back surfaces of the peeled piezoelectric ceramic layer to about 100 nm, the outer side was processed to 2.5 mm × 10 mm to prepare a test piece. The measurement was performed by measuring the resonance frequency measured from the impedance gain phase analyzer 4194a manufactured by Agilent Technologies, and the density calculated from the volume and weight, and calculating from the following formula (I).
<圧電アクチュエータの評価>
上記で得られた圧電アクチュエータ(表2の試料No.1〜27)について、変位劣化を評価した。評価方法を以下に示すと共に、その結果を表2に示す。
(変位劣化の評価方法)
上記で得られた圧電アクチュエータを8mm×8mmの大きさに加工し、1mm×1mmの孔を空けた10mm×10mmの外形の金属基板に接着し、変位測定用サンプルとした。さらに、コモン電極と駆動電極間の厚み方向に3kv/mmの直流電圧を5分間印加して分極を行った。ついで、2kV/mmの電圧を印加して変位素子を50時間変位させ、変位初期(0分後)と50時間後の変位を、式:[1−(50時間後の変位/変位初期)]×100に当てはめ、変位劣化率(%)を算出した。なお、変位はドップラー変位計で測定した。
<Evaluation of piezoelectric actuator>
About the piezoelectric actuator obtained above (sample No. 1-27 of Table 2), displacement deterioration was evaluated. The evaluation method is shown below, and the results are shown in Table 2.
(Evaluation method for displacement degradation)
The piezoelectric actuator obtained above was processed into a size of 8 mm × 8 mm, and adhered to a metal substrate having an outer shape of 10 mm × 10 mm with holes of 1 mm × 1 mm, to obtain a sample for displacement measurement. Further, polarization was performed by applying a DC voltage of 3 kv / mm for 5 minutes in the thickness direction between the common electrode and the drive electrode. Next, a voltage of 2 kV / mm is applied to displace the displacement element for 50 hours, and the initial displacement (after 0 minutes) and the displacement after 50 hours are expressed by the formula: [1- (displacement / initial displacement after 50 hours)] It applied to * 100 and the displacement deterioration rate (%) was computed. The displacement was measured with a Doppler displacement meter.
表2から明らかなように、本発明の範囲内である試料No.1,6,7,11〜13、16〜19、21〜27は、50時間耐久後の変位劣化率が5%以下であった。このことから、繰り返し駆動による変位劣化が抑制され、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータが得られているのがわかる。これに対し、本発明の範囲外の試料は、本発明の範囲内の試料に対して変位劣化率の値が高く、特に、試料No.5,15,20は劣化率が10%を超えており、大きな劣化を示しているのがわかる。 As is apparent from Table 2, the sample Nos. Within the scope of the present invention. 1, 6, 7, 11-13, 16-19, 21-27 had a displacement deterioration rate after 5 hours endurance of 5% or less. From this, it can be seen that the displacement deterioration due to repeated driving is suppressed, and a piezoelectric actuator excellent in driving durability is obtained. On the other hand, the sample outside the range of the present invention has a higher displacement deterioration rate than the sample within the range of the present invention. 5, 15 and 20 show that the deterioration rate exceeds 10%, indicating a large deterioration.
1 圧電アクチュエータ
2 圧電振動板
3 コモン電極
4 圧電セラミックス層
5 駆動電極
6 変位素子
13 流路部材
13a インク加圧室
13b 隔壁
18 インク吐出孔
20 印刷ヘッド
1 the piezoelectric actuator 2
Claims (7)
前記圧電振動板の弾性コンプライアンスS1が、前記圧電セラミックス層の弾性コンプライアンスS2よりも大きく、且つS 1 が1.35×10 -11 〜1.51×10 -11 m 2 /Nであり、S 2 が1.31×10 -11 〜1.47×10 -11 m 2 /Nであることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric vibrating plate, the common electrode, the piezoelectric ceramics layers and driving electrodes are laminated in this order, wherein the drive electrodes have been several arranged on the surface of the piezoelectric ceramics layer, the common electrode and the drive electrode the piezoelectric ceramics layer is composed by sandwiching the Tei there are multiple displacement elements, a piezoelectric actuator which displaces by applying a driving voltage between the common electrode and the drive electrodes and,
Said elastic compliance S 1 of the piezoelectric vibrating plate, the much larger than the elastic compliance S 2 of the piezoelectric ceramic layer, and S 1 is located at 1.35 × 10 -11 ~1.51 × 10 -11 m 2 / N , S 2 is 1.31 × 10 −11 to 1.47 × 10 −11 m 2 / N.
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