JP3873094B2 - Piezoelectric element - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドなどの液滴を射出する液体射出ヘッドなどのアクチュエータとして使用する積層圧電素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
液滴射出ヘッド、例えば、図1に示されるインクジェットヘッド15は、ノズル1、液室2、液体供給流路3、振動膜21で形成され、振動膜21には、圧電素子4の一端が固定され、圧電素子4の他端は基台20に固定されている。圧電素子4には、電極5、6が設けられ、この電極5、6に電流を流す電気配線7、8が取り付けられている。圧電素子4は、接着剤9を介して、基台20に固定されている。電気配線7、8に電流を流し、電圧を印加することにより圧電素子4に電荷を蓄積させて変形を起こし、この蓄電の後放電することで振動膜21をA方向に押し、それによって、液室2の液滴22をノズル1から射出する。このように、圧電素子4を用いる液滴射出ヘッド(例えば、インクジェットヘッド)は、圧電素子4の変形量に応じた所定量の液体を射出することができるので、プリンターなどの画像作成装置などに用いられる。
【0003】
ところで、近年の技術の発達に伴い、プリンターなどの小型化が避けて通れなくなっている。その上、圧電素子を用いる液体射出へッドにおいては、液滴の形成効率や飛翔力が大きいことが望まれている。しかし、圧電素子の単位長さおよび単位電圧当たりの伸縮率は極めて小さい為、液体射出に要求される液体の飛翔力を得るには高い電圧を印加することが必要になり、駆動回路や電気絶縁対策が複雑化するという問題がある。
【0004】
このような問題を解決するため、特開昭63−295269号公報に示されているように電極と圧電材料とを交互にサンドイッチ状に積層した液体射出ヘッド用の圧電素子が提案されている。この圧電素子によれば電極間距離を小さくすることができるため、駆動信号の電圧を下げることができるという効果がある。
【0005】
ところで、液体射出ヘッドは、圧電素子の一端を基台に固定し、他端を振動膜に固定し、印加電圧により変形で振動膜を押すように形成されているので、固定する部分は電圧を印加した時に変形しないことが必要となる。つまり、固定側は、電荷が加わっても変形しないようにする必要がある。
【0006】
しかし、特開昭63−295269号公報に記載された積層型圧電素子は、固定部分が変形するという問題がある。さらに、このような積層型圧電素子は、小型化することが困難であり、その用途が制限されるという問題がある。
【0007】
他方で、圧電材料を交互に積層し、その電極構造の一部に電圧のかからないダミー電極を設けた圧電素子が特開平4−235041号公報に記載されている。この方法で作成された圧電素子は、長さ方向、幅方向の反り、うねりを10ミクロン以内に納めたと記載されている。
【0008】
しかしながら、この方法で得られる圧電素子は、荷電したときに固定部分で変形を起すために、インクジェットヘッドの精度が必ずしもよいとは言えない。さらに、導電材料の層に圧電材料層を積層し、その圧電材料上にダミー電極と導電材料の層を設けているので、必ずしも、圧電素子が小型化したとはいい難い。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、荷電したときに固定部分で変形を起すことがなく、小型化された圧電素子が求められている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、積層された圧電素子において、電圧をかけないダミー導電層を設ける代りに両端に絶縁層を設け、電圧が圧電素子の層間にかかる部分だけに蓄電され変形する部分が生じるようにし、基台との固定部分および振動膜との固定部分には、電圧がかかった時に変形が起こらないようにすることができることを見出し、本発明を完成させた。
【0011】
本発明は、圧電材料と導電材料とが交互に積層された圧電素子であって、該圧電材料の一端には導電材料の層が、他端には絶縁材料の層が設けられており、該導電材料の層と該絶縁材料の層が交互に圧電材料を介して積層するように構成された圧電素子に関する。
【0012】
さらに好ましい実施態様においては、前記絶縁材料と圧電材料とがともにセラミックスである。
【0013】
好ましい実施態様においては、前記絶縁材料が前記圧電材料より硬い材料である。
【0014】
本発明は、さらに、前記いずれかの圧電素子が液体射出へッドに組み込まれた液体射出ヘッドに関する。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電素子は、図2(7)に示すように、圧電材料10の一端には導電材料の層11が、他端には絶縁材料の層12が設けられており、導電材料の層11と絶縁材料の層12が交互に圧電材料10を介して積層するように構成されている。
【0016】
圧電材料としては、セラミックス、プラスチック(例えば、熱硬化性樹脂)などが好ましく用いられる。中でもセラミックスが好ましく用いられる。好ましいセラミックとしては、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、構造用セラミックスMoSiO−Mo、耐熱性セラミックス、誘電体セラミックスが挙げられるが、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、誘導体セラミックが、弾性などの点でより好ましい。
【0017】
導電材料としては、特に制限はないが、Ag、Pd、Pt、Au、W等の金属が好ましく、Ag、Pdがより好ましい。
【0018】
絶縁材料としては、圧電材料と同じか、圧電材料よりも硬度が高い絶縁材料が好ましく用いられる。チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、構造用セラミックスMoSiO−Mo、耐熱性セラミックス、誘電体セラミックなどが挙げられる。
【0019】
絶縁材料は、圧電材料より硬い材料であることが、圧電素子の印加時に固定部分の変形を防止するために好ましい。圧電材料と絶縁材料は、同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。異なる材料である場合、絶縁材料は圧電材料よりも硬い材料であることが好ましい。このような組み合わせとしては、圧電材料を誘電体セラミックとし、絶縁材料をチタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、構造用セラミックスMoSiO−Mo、または耐熱性セラミックスとする組み合わせである。
【0020】
以下、本発明の圧電素子の製造を、図2に基づいて説明する。図2(1)に示すように定盤にグリーンシート状または、ペースト状に調製した第1の圧電材料10a(例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ノベロプスカイトセラミックス等)を配置し、その上に第1の導電材料11aとして、例えば、Ag、Pd等の導電ペーストを厚膜印刷法などの方法を用いて、図2(1)に示すように第1の圧電材料10aの右側に印刷する。
【0021】
次に、図2(2)に示すように、第1の絶縁材料12a(例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック)を、第1の導電材料11aとほぼ同じ厚さになるように、例えば、厚膜印刷法、シルク印刷法などで、第1の導電材料11aと重ならないように、第1の圧電材料10aの左側に印刷する。
【0022】
その後、図2(3)のように、図2(2)で得られた第1の絶縁材料12aの層と第1の導電材料11aの層上に、第2の圧電材料10bを配置する。
【0023】
次に、図2(4)に示すように、この第2の圧電材料10bの左側に、第2の導電材料11bを、第1の導電材料11aと同じように配置する。右側に第2の絶縁材料12bを第1の絶縁材料12aと同じように配置する。すなわち、導電材料と絶縁材料が図2(2)とは逆の位置関係になるように配置する。
【0024】
そして、図2(5)のように、図2(4)で得られた第2の導電材料11bと第2の絶縁材料12bの層上に、第3の圧電材料10cを配置し、図2(6)に示すように、この第3の圧電材料10cの上に、図2(2)と同様に、第3の絶縁材料12c、第3の導電材料11cを配置し、その上に、第4の圧電材料10dを配置する。
【0025】
このように、導電材料11と絶縁材料12が圧電材料10を介して交互に積層されるように重ねることにより、図2(7)に示される積層された圧電素子が得られる。
【0026】
図3は、得られた圧電素子4に交互に組み込まれた導電材料(即ち、電極)に外部から電流を流す目的で、例えば、金電極5、6をスパッタリング、鍍金で形成することにより、圧電素子としての形が完成する。ところで、本発明の圧電素子4は、図3に示すように、絶縁材料12と導電材料11とが圧電材料10を介して交互に配置された領域Xと、導電材料11と圧電材料10が交互に配置された領域Yと、絶縁材料12と導電材料11とが圧電材料10を介して交互に配置された領域Zの3つの領域が存在する。領域Xと領域Zは、同じ材料が積層されたところなので、その機械的な性質(硬度、弾性係数など)がほぼ同じであるが、領域Yは、圧電材料と導電材料とから形成されているので、領域X、領域Zと比べて硬度は高くない。チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミックを圧電材料に用いた場合、Hv400〜600である。
【0027】
変位を作り出す領域Yの部分の剛性は、従来とほとんど変わらないか、やわらかいが、振動膜を直接押す領域Xおよび領域Zの硬度が、領域Yの硬度より高ければ、図1における液室2の液体に加えられる力が増すことになる。つまり基台および振動膜に固定される部分(領域Xあるいは領域Z)の硬度を上げることにより、圧電素子の変形によって生じる力を液体に十分伝えることができるようになる。
【0028】
例えば、圧電材料として誘電体セラミックを用い、絶縁材料12として、誘電体セラミックスより硬度の高い構造用セラミックス、耐熱性セラミックス(Hv2000〜3400)を用いることにより、領域Xまたは領域Zの硬度を実質的に高くすることができる。特に、圧電材料として誘電体セラミックスを用い、絶縁材料として、構造用セラミックスを用いた場合、これらの材料は相溶性があるため、焼成により溶融してより強固に接着できる。従って、平坦でかつ端が固く強い圧電素子が作成される。
【0029】
このように、圧電素子の両端を硬く構成することにより、より粘度の高い液体を射出させることができるようになる。
【0030】
このように形成された圧電素子の上記各領域X、Y、およびZの硬度を示す模式図が図3(b)であり、領域Xと領域Zの硬度が領域Yの硬度より高いことを示している。このように構成することで、圧電素子の領域Yが、電圧が印加された場合に、特定の固有振動を持って変形する動きが増幅されるという効果も生じる。
【0031】
図4は、絶縁材料12を積層しなかった場合について説明する図である。図4(b)に示す領域Lおよび領域Nは、導電材料11を積層しないので、その分、領域Mに比べて厚みが不足し、図4(b)に示すように、真中の領域Mの部分が厚く、両側の領域Lおよび領域Nが薄い形になる。このような積層体を加熱、加圧、焼成して圧電素子を作成する工程において、圧力が積層体に均等にかからず、圧電素子自体の強度が低下し、層の剥離が起こるなど、圧電素子として致命的な欠陥がおこる原因になる。しかも、変形が領域Lおよび領域Nの外側部分に生じるので、ねじれ、反りなどが発生する。
【0032】
図5は、圧電素子の一つの製造方法を示す模式図であり、圧電材料上に導電材料と絶縁材料の配置を図5のように行うことにより、中央で分割して一度に2つの圧電素子が形成できるようにしたものである。このようなパターンを平面に多数作成し、大きな印刷マスクパターンを作成し、カットすることにより、1回で多数の圧電素子を作成することができる。このようなカットを行う時には、カットマークを予め表面に印刷または刻削しておくと、正確にカットできる。
【0033】
また、本発明の圧電素子は、図6に示すような層構造を有するように配置させることもできる。この場合、硬度の高い部分は、片側だけになるが、このような仕様にする場合もあり得る。
【0034】
本発明の圧電素子は、圧電材料と誘電材料から製造される。圧電材料として、誘電体セラミックスを用い、絶縁材料として構造用セラミックスを用いて圧電素子を作成する例を説明する。まず、誘電体セラミックスとバインダー(例えば、ポリビニルアルコール:PVA)を混合し、脱水・乾燥して仮焼成する。仮焼成は、セラミックスの結晶構造がペロブスカイト構造の前の段階となるように700℃〜800℃で行うことが好ましい。焼成後、粉砕し、さらに脱水・乾燥し、バインダー(PVA)を添加してシートに成形する。シートの厚みは、本焼成後の1.2〜1.3倍にすることが好ましい。シート成形後、パンチングなどにより形を整え、内部電極をシルク印刷する。
【0035】
絶縁材料として、構造用セラミックスを用いた、圧電材料と同様にして、シート成形し、パンチングなどにより形を整える。内部電極は印刷しない。
【0036】
圧電材料と絶縁材料とを、図2に示されるように積層し、1100℃〜1500℃で焼成する。焼成後、加工し、形状を整えて、圧電素子が製造される。
【0037】
本発明の圧電素子が用いられる液体射出ヘッドなどは、ヘッドのピッチを微細にしている場合が多く、アクチュエータとしての圧電素子も細くカットして使用される場合が多い。従来の圧電素子は、電極となる導電材料が各層に存在するため、このカットの時に電極の端の部分は、導電材料部分での剥離がおこり、圧電素子の端部に欠けが発生することが多く、ヘッドの歩留まりに多大な影響をあたえていた。本発明では、導電材料と絶縁材料とを交互に設けるため、電極層が従来のほぼ半分にすることができ、しかも、圧電素子の端部の硬度を上げることができるので、カット時に剥離が発生する可能性も少なくすることができるので圧電素子をカットする歩留まりも良くなる。
【0038】
得られた圧電素子の一端を基台に接着固定し、他端を振動膜に接着固定してノズル開口部に対応させて配置すると液滴射出ヘッドが得られる。
【0039】
【作用】
本発明の圧電素子は、導電材料層と絶縁材料層とを圧電材料上に設け、導電材料と絶縁材料とが圧電材料を介して交互に積層されているので、従来の圧電素子と比べて、厚みが小さくされている(すなわち、小型化されている)ばかりでなく、中間領域の変形する部分は従来と同様またはそれより柔軟に構成され、かつ、電極および/または振動板に固定される部分(圧電素子の端部)を従来のものより硬くすることができるので、固定部における圧電素子の変形を抑制し、変形による圧力を振動板に伝える精度が高くなる。
【0040】
本発明の圧電素子の一端を基台に接着固定し、他端を振動膜に接着固定してノズル開口部に対応させて配置すると液滴射出ヘッドが得られる。本発明の圧電素子を用いることにより、変形を伝える精度が高く、かつ小型化された液滴射出ヘッドが提供される。小型の、粘性が高い液滴を射出する液滴射出ヘッドとして利用できる。
【0041】
【実施例】
圧電材料として、誘電体セラミックスを用い、絶縁材料として構造用セラミックスを用いて圧電素子を作成した。まず、誘電体セラミックスとバインダー(PVA)を混合し、脱水・乾燥して、750℃で仮焼成した。焼成後、粉砕し、さらに脱水・乾燥し、バインダー(PVA)を添加してシートに成形した。シート成形後、パンチングにより形を整え、内部電極をシルク印刷した。
【0042】
他方で、絶縁材料として、構造用セラミックスを用い、圧電材料と同様にして、シート成形し、パンチングにより成形した。得られた圧電材料と絶縁材料とを、図2に示されるように積層し、1300℃で焼成した。焼成後、加工し、形状を整えて図3(a)に示すような圧電素子を得た。
【0043】
得られた圧電素子の硬度を、マイクロビッカーズ硬度計を用いて測定した。積層し、複合化された素子はマイクロビッカーズ硬度計では直接測定できない。そこで、まず、マイクロビッカーズ硬度計のHv値が既知のセラミックのレーザー変位を、波形の時速を測定して求め、検量線を作成した。ついで、得られた圧電素子の測定部位の波形の時速を測定し、マイクロビッカーズ硬度計の値に換算した。得られた圧電素子の中央部(図3のY部)のHv値は640であったが、両端部(図3のX部、Z部)のHv値は、それぞれ、2400と2500であった。すなわち、図3(b)に示されるような、両端が非常に硬くほとんど変化しないが、中央部(図3のY部)の硬度が両端より低く、中央部のみが変化できる圧電素子が得られた。
【0044】
なお、得られた圧電素子の、図3のX部に相当する部分は2mmであり、Y部に相当する部分は3.5mmであり、Z部に相当する部分は1.5mmであった。Y部の変位量は1μmであったが、X部、Z部の変位は計測されなかった。
【0045】
【発明の効果】
本発明の圧電素子は、導電材料層と絶縁材料層とが、圧電材料を介して交互に配置されるように構成されている。絶縁材料として硬度の高い材料を用いことにより、圧電素子の両端は中央部よりも硬くなるように構成され、かつ、圧電素子は小型化される。そして、電圧をかけたとき、中央部(コンデンサー部分)は変形するが両端は変形しにくい構造になっているので、変形による圧力が、精度よく伝達される。粘性の高い液体でも射出することができる。
【0046】
しかも、製造が比較的簡単であるので、マスクパターンで多数個取りすることもできるため製造コストも低下する上、製造時の導電材料部分の剥離、欠けなど生じにくいので、生産効率が大幅にアップする。
【0047】
さらに、本発明の圧電素子は、特開平4−235041号公報に記載された圧電素子のダミー電極の代わりにセラミックスを用いることでアクチュエーターとして使用するときの力の伝達速度が増し、さらに、このセラミックスがPZT材そのものとして使用できるので、圧電素子の焼成時の熱歪みをなくすことができる。そのうえ、数億回の使用においても内部電極の剥離の可能性が減少し、寿命が長く、信頼性が向上する。
【0048】
本発明の圧電素子は、単に液滴射出ヘッド(例えば、インクジェットヘッド)だけでなく、あらゆる圧電素子を利用するものに応用できるので工業的な効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】液体射出ヘッドの構造を示す断面図である。
【図2】本発明の圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図3】本発明の圧電素子の断面および各領域の硬度を示す模式図である。
【図4】絶縁材料を使用しない場合の圧電素子の断面図である。
【図5】本発明の圧電素子を多数個同時に作成する場合の模式図である。
【図6】本発明の圧電素子の別の態様である。
【符号の説明】
1 ノズル
2 液室
3 液体供給路
4 圧電素子
5、6 電極
7、8 電気配線
9 接着剤
10 圧電材料
11 導電材料
12 絶縁材料
20 基台
21 振動膜
22 液滴
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laminated piezoelectric element used as an actuator such as a liquid ejection head for ejecting liquid droplets such as an inkjet head.
[0002]
[Prior art]
A droplet ejection head, for example, the inkjet head 15 shown in FIG. 1 is formed of a nozzle 1, a liquid chamber 2, a liquid supply channel 3, and a vibration film 21, and one end of the piezoelectric element 4 is fixed to the vibration film 21. The other end of the piezoelectric element 4 is fixed to the base 20. The piezoelectric element 4 is provided with electrodes 5 and 6, and electric wirings 7 and 8 for passing a current to the electrodes 5 and 6 are attached. The piezoelectric element 4 is fixed to the base 20 via an adhesive 9. By applying a current to the electrical wirings 7 and 8 and applying a voltage, electric charges are accumulated in the piezoelectric element 4 to cause deformation, and after this power storage, the vibrating membrane 21 is pushed in the A direction by discharging. A droplet 22 in the chamber 2 is ejected from the nozzle 1. As described above, a droplet ejection head (for example, an ink jet head) using the piezoelectric element 4 can eject a predetermined amount of liquid according to the deformation amount of the piezoelectric element 4, so that it can be applied to an image creating apparatus such as a printer. Used.
[0003]
By the way, with the recent development of technology, downsizing of printers and the like is unavoidable. In addition, in a liquid ejection head using a piezoelectric element, it is desired that droplet formation efficiency and flying force are large. However, since the piezoelectric element has a very small unit length and expansion / contraction rate per unit voltage, it is necessary to apply a high voltage in order to obtain the flying force of the liquid required for liquid ejection, and the drive circuit and electrical insulation. There is a problem that countermeasures become complicated.
[0004]
In order to solve such problems, there has been proposed a piezoelectric element for a liquid ejection head in which electrodes and piezoelectric materials are alternately laminated in a sandwich shape as disclosed in JP-A-63-295269. According to this piezoelectric element, since the distance between the electrodes can be reduced, there is an effect that the voltage of the drive signal can be lowered.
[0005]
By the way, the liquid ejection head is formed so that one end of the piezoelectric element is fixed to the base, the other end is fixed to the vibration film, and the vibration film is pushed by deformation by an applied voltage. It is necessary not to be deformed when applied. In other words, the fixed side needs to be prevented from being deformed even when an electric charge is applied.
[0006]
However, the multilayer piezoelectric element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-295269 has a problem that the fixed portion is deformed. Furthermore, it is difficult to reduce the size of such a laminated piezoelectric element, and there is a problem that its application is limited.
[0007]
On the other hand, a piezoelectric element in which piezoelectric materials are alternately stacked and a dummy electrode that is not subjected to a voltage is provided in a part of the electrode structure is described in Japanese Patent Laid-Open No. 4-235041. It is described that the piezoelectric element produced by this method has warpage and undulation in the length direction and width direction within 10 microns.
[0008]
However, since the piezoelectric element obtained by this method is deformed at the fixed portion when charged, the accuracy of the inkjet head is not necessarily good. Further, since the piezoelectric material layer is laminated on the conductive material layer, and the dummy electrode and the conductive material layer are provided on the piezoelectric material, it is not always possible to say that the piezoelectric element is downsized.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, there is a need for a piezoelectric element that is miniaturized without causing deformation at the fixed portion when charged.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention have provided an insulating layer at both ends instead of providing a dummy conductive layer to which no voltage is applied in the laminated piezoelectric element, and the voltage is applied between the piezoelectric element layers. It is found that a part that is charged and deformed is generated only in the part applied to the base, and that the part fixed to the base and the part fixed to the vibration film can be prevented from being deformed when a voltage is applied. Completed the invention.
[0011]
The present invention is a piezoelectric element in which piezoelectric materials and conductive materials are alternately laminated, wherein one end of the piezoelectric material is provided with a layer of conductive material, and the other end is provided with a layer of insulating material. The present invention relates to a piezoelectric element configured such that a layer of a conductive material and a layer of an insulating material are alternately stacked via a piezoelectric material.
[0012]
In a more preferred embodiment, the insulating material and the piezoelectric material are both ceramics.
[0013]
In a preferred embodiment, the insulating material is a material harder than the piezoelectric material.
[0014]
The present invention further relates to a liquid ejection head in which any one of the piezoelectric elements is incorporated in a liquid ejection head.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the piezoelectric element of the present invention, as shown in FIG. 2 (7), a conductive material layer 11 is provided at one end of the piezoelectric material 10, and an insulating material layer 12 is provided at the other end. 11 and insulating material layers 12 are alternately stacked via the piezoelectric material 10.
[0016]
As the piezoelectric material, ceramics, plastics (for example, thermosetting resin) and the like are preferably used. Of these, ceramics is preferably used. Preferred ceramics include lead zirconate titanate composite perovskite ceramics, structural ceramics MoSiO 2 -Mo 2 B 2 , heat-resistant ceramics, dielectric ceramics, but lead zirconate titanate composite perovskite ceramics, derivative ceramics Is more preferable in terms of elasticity and the like.
[0017]
The conductive material is not particularly limited, but metals such as Ag, Pd, Pt, Au, and W are preferable, and Ag and Pd are more preferable.
[0018]
As the insulating material, an insulating material that is the same as the piezoelectric material or higher in hardness than the piezoelectric material is preferably used. Examples thereof include lead zirconate titanate composite perovskite ceramics, structural ceramics MoSiO 2 —Mo 2 B 2 , heat resistant ceramics, dielectric ceramics, and the like.
[0019]
The insulating material is preferably a material harder than the piezoelectric material in order to prevent deformation of the fixed portion when the piezoelectric element is applied. The piezoelectric material and the insulating material may be the same material or different materials. In the case of different materials, the insulating material is preferably a harder material than the piezoelectric material. As such a combination, the piezoelectric material is a dielectric ceramic, and the insulating material is a lead zirconate titanate-based composite perovskite ceramic, structural ceramics MoSiO 2 —Mo 2 B 2 , or heat resistant ceramics.
[0020]
Hereinafter, the manufacture of the piezoelectric element of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2 (1), a first piezoelectric material 10a (for example, lead zirconate titanate-based composite novelpskite ceramics) prepared in a green sheet shape or a paste shape is placed on a surface plate, In addition, as the first conductive material 11a, for example, a conductive paste such as Ag or Pd is printed on the right side of the first piezoelectric material 10a as shown in FIG. .
[0021]
Next, as shown in FIG. 2 (2), the first insulating material 12a (for example, lead zirconate titanate-based composite perovskite ceramic) is formed to have substantially the same thickness as the first conductive material 11a. For example, printing is performed on the left side of the first piezoelectric material 10a by a thick film printing method, a silk printing method, or the like so as not to overlap the first conductive material 11a.
[0022]
Thereafter, as shown in FIG. 2 (3), the second piezoelectric material 10b is disposed on the layer of the first insulating material 12a and the layer of the first conductive material 11a obtained in FIG. 2 (2).
[0023]
Next, as shown in FIG. 2 (4), the second conductive material 11b is arranged on the left side of the second piezoelectric material 10b in the same manner as the first conductive material 11a. The second insulating material 12b is disposed on the right side in the same manner as the first insulating material 12a. In other words, the conductive material and the insulating material are arranged so as to have the opposite positional relationship to that shown in FIG.
[0024]
Then, as shown in FIG. 2 (5), the third piezoelectric material 10c is arranged on the layer of the second conductive material 11b and the second insulating material 12b obtained in FIG. 2 (4). As shown in (6), the third insulating material 12c and the third conductive material 11c are arranged on the third piezoelectric material 10c in the same manner as in FIG. 2 (2). Four piezoelectric materials 10d are arranged.
[0025]
In this way, by stacking the conductive material 11 and the insulating material 12 so as to be alternately stacked via the piezoelectric material 10, the stacked piezoelectric element shown in FIG. 2 (7) is obtained.
[0026]
FIG. 3 shows an example in which gold electrodes 5 and 6 are formed by sputtering or plating for the purpose of flowing a current from the outside to a conductive material (that is, an electrode) alternately incorporated in the obtained piezoelectric element 4. The shape as an element is completed. By the way, as shown in FIG. 3, the piezoelectric element 4 of the present invention has regions X in which the insulating material 12 and the conductive material 11 are alternately arranged via the piezoelectric material 10, and the conductive material 11 and the piezoelectric material 10 are alternately arranged. There are three regions, namely, a region Y disposed in a region Z, and a region Z in which the insulating material 12 and the conductive material 11 are alternately disposed via the piezoelectric material 10. Since the same material is laminated in the region X and the region Z, the mechanical properties (hardness, elastic modulus, etc.) are almost the same, but the region Y is formed of a piezoelectric material and a conductive material. Therefore, the hardness is not high as compared with the regions X and Z. When the lead zirconate titanate composite perovskite ceramic is used for the piezoelectric material, it is Hv 400-600.
[0027]
The rigidity of the portion of the region Y that creates the displacement is almost the same as before, or is soft, but if the hardness of the region X and the region Z that directly presses the vibrating membrane is higher than the hardness of the region Y, the liquid chamber 2 in FIG. The force applied to the liquid will increase. That is, by increasing the hardness of the portion (region X or region Z) fixed to the base and the vibration film, the force generated by the deformation of the piezoelectric element can be sufficiently transmitted to the liquid.
[0028]
For example, by using dielectric ceramics as the piezoelectric material and using structural ceramics and heat-resistant ceramics (Hv 2000 to 3400) having higher hardness than the dielectric ceramics as the insulating material 12, the hardness of the region X or the region Z is substantially reduced. Can be high. In particular, when dielectric ceramics are used as the piezoelectric material and structural ceramics are used as the insulating material, these materials are compatible, so that they can be melted by firing and bonded more firmly. Accordingly, a piezoelectric element which is flat and has a hard end and strong is produced.
[0029]
In this way, by configuring the both ends of the piezoelectric element to be hard, it becomes possible to eject a liquid with higher viscosity.
[0030]
FIG. 3B is a schematic diagram showing the hardness of each of the regions X, Y, and Z of the piezoelectric element thus formed, and shows that the hardness of the region X and the region Z is higher than the hardness of the region Y. ing. With this configuration, there is also an effect that the movement of the piezoelectric element region Y deformed with a specific natural vibration is amplified when a voltage is applied.
[0031]
FIG. 4 is a diagram illustrating a case where the insulating material 12 is not stacked. Since the conductive material 11 is not laminated in the region L and the region N shown in FIG. 4B, the thickness is insufficient as compared with the region M, and as shown in FIG. The portion is thick and the regions L and N on both sides are thin. In the process of creating a piezoelectric element by heating, pressurizing and firing such a laminate, the pressure is not evenly applied to the laminate, the strength of the piezoelectric element itself is reduced, and peeling of the layer occurs. It causes a fatal defect as an element. In addition, since deformation occurs in the outer portions of the region L and the region N, twisting, warping, and the like occur.
[0032]
FIG. 5 is a schematic diagram showing one method of manufacturing a piezoelectric element. By arranging the conductive material and the insulating material on the piezoelectric material as shown in FIG. Can be formed. A large number of such patterns can be created on a plane, a large print mask pattern can be created, and a large number of piezoelectric elements can be created at one time. When performing such a cut, it is possible to cut accurately by printing or cutting the cut mark on the surface in advance.
[0033]
Further, the piezoelectric element of the present invention can be arranged so as to have a layer structure as shown in FIG. In this case, the portion having high hardness is only on one side, but such a specification may be used.
[0034]
The piezoelectric element of the present invention is manufactured from a piezoelectric material and a dielectric material. An example in which a piezoelectric element is formed using dielectric ceramics as a piezoelectric material and structural ceramics as an insulating material will be described. First, dielectric ceramics and a binder (for example, polyvinyl alcohol: PVA) are mixed, dehydrated, dried, and temporarily fired. The preliminary firing is preferably performed at 700 ° C. to 800 ° C. so that the crystal structure of the ceramic is in a stage before the perovskite structure. After firing, it is pulverized, further dehydrated and dried, and a binder (PVA) is added to form a sheet. The thickness of the sheet is preferably 1.2 to 1.3 times that after the main firing. After forming the sheet, the shape is adjusted by punching and the internal electrodes are silk-printed.
[0035]
In the same manner as the piezoelectric material using structural ceramics as the insulating material, the sheet is formed and shaped by punching or the like. The internal electrode is not printed.
[0036]
A piezoelectric material and an insulating material are laminated as shown in FIG. 2 and fired at 1100 ° C. to 1500 ° C. After firing, it is processed and shaped to produce a piezoelectric element.
[0037]
A liquid ejection head or the like in which the piezoelectric element of the present invention is used often has a fine head pitch, and the piezoelectric element as an actuator is often used with a fine cut. In the conventional piezoelectric element, since the conductive material to be an electrode exists in each layer, the end portion of the electrode is peeled off at the conductive material portion at the time of this cutting, and the end portion of the piezoelectric element may be chipped. Many of them had a great influence on the head yield. In the present invention, since the conductive material and the insulating material are alternately provided, the electrode layer can be almost halved compared to the conventional one, and the hardness of the end of the piezoelectric element can be increased, so that peeling occurs at the time of cutting. Therefore, the yield of cutting the piezoelectric element can be improved.
[0038]
When one end of the obtained piezoelectric element is bonded and fixed to the base, and the other end is bonded and fixed to the vibration film and disposed in correspondence with the nozzle opening, a droplet ejection head is obtained.
[0039]
[Action]
In the piezoelectric element of the present invention, the conductive material layer and the insulating material layer are provided on the piezoelectric material, and the conductive material and the insulating material are alternately laminated via the piezoelectric material. Not only the thickness is reduced (that is, the size is reduced), but the deformed portion of the intermediate region is configured to be the same as or more flexible than the conventional one, and is fixed to the electrode and / or diaphragm Since the (end portion of the piezoelectric element) can be made harder than the conventional one, the deformation of the piezoelectric element in the fixed portion is suppressed, and the accuracy of transmitting the pressure due to the deformation to the diaphragm is increased.
[0040]
When one end of the piezoelectric element of the present invention is bonded and fixed to the base and the other end is bonded and fixed to the vibration film and disposed in correspondence with the nozzle opening, a droplet ejection head can be obtained. By using the piezoelectric element of the present invention, there is provided a droplet ejection head that is highly accurate in transmitting deformation and is miniaturized. It can be used as a small droplet ejection head for ejecting highly viscous droplets.
[0041]
【Example】
Piezoelectric elements were made using dielectric ceramics as the piezoelectric material and structural ceramics as the insulating material. First, dielectric ceramics and a binder (PVA) were mixed, dehydrated and dried, and calcined at 750 ° C. After firing, it was pulverized, further dehydrated and dried, and a binder (PVA) was added to form a sheet. After forming the sheet, the shape was adjusted by punching, and the internal electrode was silk-printed.
[0042]
On the other hand, structural ceramics were used as the insulating material, and in the same manner as the piezoelectric material, a sheet was formed and formed by punching. The obtained piezoelectric material and insulating material were laminated as shown in FIG. 2 and fired at 1300 ° C. After firing, it was processed and shaped to obtain a piezoelectric element as shown in FIG.
[0043]
The hardness of the obtained piezoelectric element was measured using a micro Vickers hardness meter. Stacked and compounded elements cannot be measured directly with a micro Vickers hardness tester. Therefore, first, a calibration curve was created by determining the laser displacement of a ceramic having a known Hv value of a micro Vickers hardness meter by measuring the speed of the waveform. Next, the speed per hour of the waveform at the measurement site of the obtained piezoelectric element was measured and converted to the value of a micro Vickers hardness meter. The Hv value at the center (Y part in FIG. 3) of the obtained piezoelectric element was 640, but the Hv values at both ends (X part and Z part in FIG. 3) were 2400 and 2500, respectively. . That is, as shown in FIG. 3B, a piezoelectric element is obtained in which both ends are very hard and hardly change, but the hardness of the central portion (Y portion in FIG. 3) is lower than both ends and only the central portion can be changed. It was.
[0044]
In the obtained piezoelectric element, the portion corresponding to the X portion in FIG. 3 was 2 mm, the portion corresponding to the Y portion was 3.5 mm, and the portion corresponding to the Z portion was 1.5 mm. Although the displacement amount of the Y part was 1 μm, the displacements of the X part and the Z part were not measured.
[0045]
【The invention's effect】
The piezoelectric element of the present invention is configured such that the conductive material layer and the insulating material layer are alternately arranged via the piezoelectric material. By using a material having high hardness as the insulating material, both ends of the piezoelectric element are configured to be harder than the central portion, and the piezoelectric element is reduced in size. When a voltage is applied, the central portion (capacitor portion) is deformed, but both ends are not easily deformed, so that the pressure due to the deformation is transmitted with high accuracy. Even highly viscous liquids can be injected.
[0046]
In addition, since the manufacturing is relatively simple, a large number of mask patterns can be used to reduce the manufacturing cost. In addition, the conductive material portion is less likely to be peeled or chipped during manufacturing, greatly increasing production efficiency. To do.
[0047]
Furthermore, the piezoelectric element of the present invention increases the transmission speed of force when used as an actuator by using ceramic instead of the dummy electrode of the piezoelectric element described in Japanese Patent Laid-Open No. 4-250441. Can be used as the PZT material itself, so that thermal distortion during firing of the piezoelectric element can be eliminated. In addition, the possibility of peeling of the internal electrode is reduced even after several hundred million uses, and the life is long and the reliability is improved.
[0048]
Since the piezoelectric element of the present invention can be applied not only to a droplet ejection head (for example, an ink jet head) but also to those using any piezoelectric element, an industrial effect is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a liquid ejection head.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the piezoelectric element of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the cross section of the piezoelectric element of the present invention and the hardness of each region.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a piezoelectric element when an insulating material is not used.
FIG. 5 is a schematic view when a large number of piezoelectric elements of the present invention are simultaneously formed.
FIG. 6 is another embodiment of the piezoelectric element of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nozzle 2 Liquid chamber 3 Liquid supply path 4 Piezoelectric element 5, 6 Electrode 7, 8 Electrical wiring 9 Adhesive 10 Piezoelectric material 11 Conductive material 12 Insulating material 20 Base 21 Vibrating film 22 Droplet

Claims (3)

圧電材料と導電材料とが交互に積層された圧電素子であって、該圧電材料の一端には導電材料の層が、他端には絶縁材料の層が設けられており、該絶縁材料が該圧電材料より硬い材料であり、該導電材料の層と該絶縁材料の層が交互に圧電材料を介して積層するように構成された、圧電素子。A piezoelectric material and a conductive material is a piezoelectric element that are alternately stacked, at one end of the piezoelectric material layer of conductive material, the other end is provided with a layer of insulating material, the insulating material is the A piezoelectric element which is a material harder than a piezoelectric material and is configured such that the conductive material layer and the insulating material layer are alternately stacked via the piezoelectric material. 前記絶縁材料と圧電材料とがともにセラミックスである、請求項1に記載の圧電素子。  The piezoelectric element according to claim 1, wherein both the insulating material and the piezoelectric material are ceramics. 請求項1または2に記載の圧電素子が液体射出ヘッドに組み込まれた液体射出ヘッド。Liquid injection head in which the piezoelectric element described incorporated into the liquid injection head according to claim 1 or 2.
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