JP4362045B2 - 圧電変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば入力された電気信号を液体の圧力変動に変換することができる圧電変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
圧電セラミックの電歪効果を利用して、入力された電気信号を液体の圧力変動に変換することができる圧電変換装置が、特にオン−デマンド型のインクジェットプリンタにおいて、インク滴を吐出させて印字を行うための圧電インクジェットヘッドとして広く利用されている。
圧電インクジェットヘッドとして用いる圧電変換装置は一般に、例えば図3に示すように、インクを充てんするためのキャビティ911を面方向に複数個、配列した板状の基板91の片面に、上記複数個のキャビティ911を覆う大きさを有する、共通電極を兼ねる導電性の振動板921と、同じく複数個のキャビティ911を覆う大きさを有する平板状の圧電セラミック層922と、それぞれのキャビティ911に対応して分離形成した複数個の個別電極923とを含む圧電アクチュエータ92を積層した構造を有している(例えば特許文献1等参照)。
【0003】
また、基板91としては、例えばステンレス鋼などの金属製の板材を用いるのが一般的である。
また、各キャビティ911にはそれぞれ、基板91の、圧電アクチュエータ92を積層した側と反対側の面に達する、インク滴吐出のためのノズル部913を、ノズル流路912を介して連通してある。また、図示していないが、キャビティ911にはそれぞれ、インクジェットプリンタのインク補給部からインクを供給するための共通供給路を、供給口を介して連通してある。
【0004】
そしてインク補給部から、共通供給路と供給口とを介してインクを各キャビティ911に充てんした状態で、共通電極としての振動板921と、複数個の個別電極923のうちの少なくとも一つとの間に駆動電圧を印加すると、それに応じて圧電セラミック層922のうち両電極間に挟まれた領域が面方向に収縮する。
ところが圧電セラミック層922は振動板921に固定されているため、圧電アクチュエータ92の、駆動電圧を印加した領域は、上記の収縮に伴ってキャビティ911の方向に突出するように撓み変形する。
【0005】
そしてこの撓み変形によってキャビティ911内のインクを圧縮して、ノズル部913から、インク滴として吐出させて印字を行うことができる。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−34320号公報(請求項1、2、第0011欄、図1)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
図3の圧電変換装置は、例えばその片面に、各キャビティ911となる複数個の凹部を配列、形成した基板91と、前記の積層構造を有する圧電アクチュエータ92とを、熱硬化性の接着剤の層(図示せず)を介して積層したのち、面と直交する方向に加圧しながら加熱して接着剤を熱硬化させることによって、両者を接着、固定して製造するのが一般的である。
【0008】
ところが従来の圧電変換装置は、接着後に室温まで冷却した際に圧電アクチュエータ92の、基板91に固定されていないキャビティ911に対応する領域に大きな座屈変形(撓み変形)を生じやすく、この座屈変形によって、駆動電圧を印加した際の撓み変形が阻害されるため、ノズル部913からのインク滴の吐出特性が低下するという問題を有する。
この原因は、基板91を形成する金属と、圧電セラミック層922を形成する圧電セラミックとの熱膨張係数の差に起因して生じる応力集中にある。
【0009】
すなわち一般に、金属はセラミックよりも熱膨張係数が大きいため、接着剤の熱硬化によって基板91と圧電アクチュエータ92とを接着、固定させるべく加熱すると、加熱初期の、接着剤が未硬化の段階においては、金属製の基板91が、圧電セラミック層922を含む圧電アクチュエータ92よりも面方向に大きく熱膨張する。
そしてこの状態で接着剤が硬化して両者が接着、固定されるため、冷却工程において、基板91が、圧電アクチュエータ92よりも面方向に大きく収縮しようとした際に、当該圧電アクチュエータ92の、キャビティ911に対応する領域に面方向の圧縮応力を集中させて、当該領域に大きな座屈変形を生じさせるのである。
【0010】
本発明の目的は、圧電アクチュエータの、キャビティに対応する領域に大きな座屈変形を生じないため、例えば圧電インクジェットヘッドとして使用した際にインク滴の吐出特性をこれまでよりも向上することができる、新規な圧電変換装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電変換装置は、ステンレス鋼からなる板状の基材の片面に、液体を充てんするためのキャビティを複数個備えるとともに、前記基板の片面に圧電アクチュエータを熱硬化した接着剤の層を介して積層してなる圧電変換装置であって、前記圧電アクチュエータは、複数個の前記キャビティを覆う大きさを有する導電性の振動板と、複数個の前記キャビティを覆う大きさを有する圧電セラミック層と、前記キャビティに対応して分離形成された複数個の個別電極とを積層した積層体、または複数個の前記キャビティを覆う大きさを有する圧電セラミックからなる振動板と、複数個の前記キャビティを覆う大きさを有する金属薄膜からなる共通電極と、複数個の前記キャビティを覆う大きさを有する圧電セラミック層と、前記キャビティに対応して分離形成された複数個の個別電極とを積層した積層体からなり、前記圧電セラミック層の厚み(圧電セラミックからなる振動板がある場合には前記振動板の厚みを含む)をT(mm)、前記キャビティの、前記基板の面方向の最大幅をW(mm)としたとき、式(1):
T≧(19.6W+5.5)×10-3
を満足することを特徴とする。
【0012】
また、本発明の圧電変換装置は、前記圧電セラミック層の厚みTを100×10-3mm以下としたことを特徴とする。
【0013】
【発明の効果】
前記課題を解決するため、発明者は、圧電変換装置の構造について再検討した。そして接着剤の熱硬化時に発生する圧電アクチュエータの座屈変形は、圧電セラミック層の厚みが、キャビティの、基板の面方向の幅に対して小さければ小さいほど顕著に発生すること、この観点で見ると従来の、例えば特許文献1に記載の圧電変換装置などの圧電セラミック層は薄すぎること、を見出した。
【0014】
そこで発明者は、圧電セラミック層の厚みT(mm)と、キャビティの、基板の面方向の最大幅W(mm)と、圧電アクチュエータの座屈変形量との関係についてさらに詳しく検討した結果、上記厚みTと、最大幅Wとを、前記のように式(1):T≧(19.6W+5.5)×10-3 を満足する範囲内とすれば、圧電アクチュエータの、キャビティに対応する領域の座屈変形を全くなくすことができるか、あるいは座屈変形量を、実用上、差し支えのない程度まで小さくできることを見出した。
【0015】
したがって、本発明によれば、圧電アクチュエータの、キャビティに対応する領域に大きな座屈変形を生じさせないため、例えば圧電インクジェットヘッドとして使用した際にインク滴の吐出特性をこれまでよりも向上できる圧電変換装置を提供することが可能となる。
【0016】
また、本発明によれば、圧電セラミック層の厚みを100×10-3mm以下とすることにより、駆動電圧の印加による撓み変形量を十分に大きくして、圧電インクジェットヘッドとして使用した際の、インク滴の吐出特性をさらに向上することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を説明する。
図1は、本発明の圧電変換装置として、圧電インクジェットヘッドに適用した実施の形態の一例を示す断面図である。
図1に示すように、この圧電変換装置は、従来同様に、液体を充てんするためのキャビティ11を面方向に複数個、配列した板状の基板1の片面に、上記複数個のキャビティ11を覆う大きさを有する、共通電極を兼ねる導電性の振動板21と、同じく複数個のキャビティ11を覆う大きさを有する平板状の圧電セラミック層22と、それぞれのキャビティ11に対応して分離形成した複数個の個別電極23とを含む圧電アクチュエータ2を積層した構造を有している。
【0018】
また、キャビティ11にはそれぞれ、基板1の、圧電アクチュエータ2を積層した側と反対側の面に達する、インク滴を吐出するためのノズル部13を、ノズル流路12を介して連通してある。また図示していないが、キャビティ11にはそれぞれ、インクジェットプリンタのインク補給部からインクを供給するための共通供給路を、供給口を介して連通してある。
そして、インク補給部から、共通供給路と供給口とを介してインクを各キャビティ11に充てんした状態で、共通電極としての振動板21と、複数個の個別電極23のうちの少なくとも一つとの間に駆動電圧を印加すると、それに応じて圧電セラミック層22のうち両電極間に挟まれた領域が面方向に収縮することによって、前述したように圧電アクチュエータ2の、駆動電圧を印加した領域がキャビティ11の方向に突出するように撓み変形してキャビティ11内のインクを加圧して、ノズル部13から、インク滴として吐出させて印字を行うことができる。
【0019】
上記のうち基板1は、例えばステンレス鋼などの金属製の板材を用いて形成する。
詳しくは、例えばキャビティ11の深さに対応した厚みを有し、なおかつフォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによってキャビティ11となる孔を形成した第1の板材と、ノズル流路12の長さに対応した厚みを有し、同様の方法でノズル流路12となる孔などを形成した第2の板材と、そしてノズル部13の長さに対応した厚みを有し、同様の方法でノズル部13となる孔を形成した第3の板材とを一体化するなどして、図1の基板1を形成することができる。
【0020】
また圧電アクチュエータ2のうち振動板21としては、例えばモリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケルなどの単体金属や、これら金属の合金、あるいはステンレス鋼などの金属材料にて所定の厚みを有する板状に形成したものを用いることができる。
圧電セラミック層22は、例えば圧電体グリーンシートを焼成したり、あるいは圧電材料の焼結体を薄板状に研磨したりして形成することができる。
【0021】
圧電セラミック層22を構成する圧電セラミックとしては、例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT)や、当該PZTにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の1種または2種以上を添加したもの、例えばPLZTなどの、PZT系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。圧電体グリーンシートは、焼成によって上記いずれかの圧電材料となる化合物を含んでいる。
【0022】
振動板21と圧電セラミック層22とは、例えば接着剤を用いて接着して一体化することができる。
さらに個別電極23は、例えば金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の粉末を含む導電性のペーストを、圧電セラミック層22の表面に、スクリーン印刷法などの印刷法によって所定の形状に印刷して形成したり、振動板21と同様の金属の薄板を、圧電セラミック層22の表面に、例えば接着剤を用いて接着して一体化したのち、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって所定の形状に形成したり、あるいは圧電セラミック層22の表面に、フォトリソグラフ法などを利用して、所定の形状の開口部を有するめっきレジスト層を形成し、めっきしたのちレジスト層を除去して所定の形状に形成したりすることができる。
【0023】
さらに図1の圧電変換装置は、前述した基板1の、キャビティ11となる凹部を複数個、配列、形成した側の面に、上記の積層構造を有する圧電アクチュエータ2を、熱硬化性の接着剤の層(図示せず)を介して積層したのち、加圧下で加熱して接着剤を熱硬化させることによって、両者を接着、固定して製造することができる。
基板1と圧電アクチュエータ2とを接着するのに用いる熱硬化性の接着剤としては、例えばエポキシ系、ポリイミド系その他、従来公知の種々の接着剤を挙げることができる。また、この両者を接着する際の加熱に対する耐性等を考慮すると、前述したように圧電セラミック層22と、振動板21や、個別電極23のもとになる金属の薄板などを接着する接着剤としても、同系の、熱硬化性の接着剤を用いるのが好ましい。
【0024】
上記各部を備えた本発明の圧電変換装置においては、先に述べたように、圧電セラミック層22の厚みT(mm)と、キャビティ11の、基板1の面方向の最大幅W(mm)とを式(1):T≧(19.6W+5.5)×10-3 を満足する範囲に設定する必要がある。
そのためには、キャビティ11の平面形状を設計する際に、組み合わせる圧電セラミック層22の厚みTを考慮して、最大幅Wを規定するか、あるいはキャビティ11の平面形状から求められる最大幅Wをもとに、組み合わせる圧電セラミック層22の厚みTを規定するか、もしくはこの両方を同時に行えばよい。
【0025】
なお、圧電セラミック層22の厚みTは、前記のように100×10-3mm以下とするのが好ましい。この理由は先に説明したとおりである。また、厚みTは、圧電アクチュエータ2の座屈変形をより一層、確実に抑制もしくは防止することを考慮すると、30×10-3mmを超える範囲とするのが好ましく、35×10-3mm以上、特に40×10-3mm以上とするのがさらに好ましい。
また、最大幅Wは、特に限定されないが、上記のように圧電セラミック層22の厚みを100×10-3mm以下に規定するためには、5mm以下とするのが好ましい。
【0026】
なお、圧電アクチュエータ2は、例えば図2に示すように、圧電セラミック層22と同様に圧電体グリーンシートを用いて形成した圧電セラミックからなる振動板24と、金属薄膜からなる共通電極25と、圧電セラミック層22と、個別電極23との積層体にて形成することもできる。
その場合には、圧電セラミック層22の厚みT1と、振動板24の厚みT2との合計の厚みT1+T2を圧電セラミック層の厚みT(mm)とし、このTと、キャビティ11の、基板1の面方向の最大幅W(mm)とを、前記式(1)を満足する範囲に設定しなければならない。
【0027】
これは、圧電セラミック製の振動板24が、圧電セラミック層22とともに圧電アクチュエータ2の強度部材として機能して、前述した座屈変形の発生と、その防止に係わっているためである。
なお基板1は図1と同じであるので、同一個所に同一符号を付して、説明を省略する。
【0028】
【実施例】
以下に本発明を、実施例に基づいて説明する。
圧電変換装置のモデルの作製
圧電アクチュエータのモデルとして、前記PZT(熱膨張係数5ppm/K)からなり、表1に示す厚みT(mm)を有する圧電セラミック層と、厚み15×10 −3 mmの金属製の振動板との積層体を作製した。
【0029】
また、基板のモデルとして、ステンレス鋼(熱膨張係数18ppm/K)からなり、エッチングによって、キャビティに対応する孔を形成した板材を用意した。キャビティの、基板の面方向の最大幅W(mm)は表1に示す値とした。
そして、上記積層体と板材とを、振動板を板材側に向けて、エポキシ系の接着剤の層を介して積層し、面と直交する方向に加圧しながら150℃の恒温槽中で30分間、加熱して接着剤を熱硬化させた後、恒温槽から取り出して60分間かけて23℃まで冷却した。
【0030】
そして圧電アクチュエータのモデルの、基板のキャビティに対応する領域のうち、面方向の中心位置の、周辺部に対する、面と直交する方向の変位量を、当該圧電アクチュエータの座屈変形量として、レーザードップラー振動計を用いて測定して、変位量の絶対値が10×10 −3 mmを超えたものを座屈変形あり(×)、10×10 −3 mm以下であったものを座屈変形なし(○)として評価した。
結果を表1に示す。
【0031】
【表1】
【0032】
表より、厚みT(mm)と最大幅W(mm)とが前記式(1)の範囲内にあるとき、圧電アクチュエータの大きな座屈変形を防止できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電変換装置の、圧電インクジェットヘッドとして好適に使用することができる実施の形態の一例を示す断面図である。
【図2】圧電変換装置の変形例を示す断面図である。
【図3】従来の圧電変換装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 基板
11 キャビティ
2 圧電アクチュエータ
22 圧電セラミック層
Claims (2)
- ステンレス鋼からなる板状の基材の片面に、液体を充てんするためのキャビティを複数個備えるとともに、前記基板の片面に圧電アクチュエータを熱硬化した接着剤の層を介して積層してなる圧電変換装置であって、前記圧電アクチュエータは、複数個の前記キャビティを覆う大きさを有する導電性の振動板と、複数個の前記キャビティを覆う大きさを有する圧電セラミック層と、前記キャビティに対応して分離形成された複数個の個別電極とを積層した積層体、または複数個の前記キャビティを覆う大きさを有する圧電セラミックからなる振動板と、複数個の前記キャビティを覆う大きさを有する金属薄膜からなる共通電極と、複数個の前記キャビティを覆う大きさを有する圧電セラミック層と、前記キャビティに対応して分離形成された複数個の個別電極とを積層した積層体からなり、前記圧電セラミック層の厚み(圧電セラミックからなる振動板がある場合には前記振動板の厚みを含む)をT(mm)、前記キャビティの、前記基板の面方向の最大幅をW(mm)としたとき、式(1):
T≧(19.6W+5.5)×10-3
を満足することを特徴とする圧電変換装置。 - 前記圧電セラミック層の厚みTを100×10-3mm以下としたことを特徴とする請求項1記載の圧電変換装置。
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