CN1572500A - 压电转换装置 - Google Patents
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Abstract
一种压电转换装置，在形成了用于填充液体的空腔的基板的形成了空腔的面上，层叠了包含薄板状的压电陶瓷层的压电执行机构，为了防止在压电执行机构的与基板的空腔对应的区域上，产生较大的压曲变形，使压电陶瓷层的厚度T(mm)、空腔的在基板的面方向上的最大宽度W(mm)满足式(1)的范围：T≥(19.6W+5.5)×10－3 (1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于利用压电陶瓷的电致变形效应将电信号转变为液体的压力变动的压电转换装置。
背景技术
压电转换装置尤其为立即响应式的喷墨打印机中的、用于通过喷出液滴来进行打印的压电喷墨头所利用。
该压电转换装置如日本国专利公开公报JP-H11-34320(1999)中所说明的那样，具有层叠了包含如下部分的压电执行机构92的构造(参照图3)，即，在沿面方向排列了多个用于填充墨料的空腔911的板状的基板91的一面上具有覆盖所述多个空腔911的大小的导电性振动板921、同样具有覆盖多个空腔911的大小的平板状的压电陶瓷层922、具有与各个空腔911对应的大小的对应于各空腔911分离的多个独立电极923。
导电性的振动板921与独立电极923一起夹隔压电陶瓷层922，兼有用于向压电陶瓷层922施加驱动电压的作为公共电极的功能。
作为基板91，一般使用例如不锈钢等金属制的板材。直达基板91的与层叠了压电执行机构92的一侧相反一侧的面的、用于喷出墨滴的喷嘴部913，分别借助喷嘴流路912与各空腔911连通。另外，虽然并未图示，但是，用于从喷墨打印机的墨料补给部供给墨料的公共供给路分别借助供给口与各空腔911连通。
在各空腔911中填充了墨料的状态下，当在作为公共电极的振动板921和多个独立电极923当中的至少一个之间加上驱动电压时，与之对应，压电陶瓷层922当中的加上了驱动电压的区域就会向面方向收缩。此外，由于压电陶瓷层922被固定在振动板921上，因此压电执行机构92的被施加了驱动电压的区域也会随着所述的收缩，按照向空腔911的方向突出的方式弯曲变形，由于该弯曲变形，空腔911内的墨料被压缩，作为墨滴从喷嘴部913被喷出，从而进行打印。
图3的压电转换装置一般来说如下制造，即，例如在其一面上，在夹隔热硬化性的粘接剂的层(未图示)而层叠了排列有多个构成各空腔911的凹部的基板91、具有所述叠层构造的压电执行机构92后，通过沿与面正交的方向加压，同时加热，使粘接剂热硬化，从而将两者粘接、固定。
但是，以往的压电转换装置在粘接后被冷却至室温时，在压电执行机构92的与空腔911对应的、未被固定在基板91上的自由的区域上，即，在加上驱动电压时会按照向空腔911的方向突出的方式发生弯曲变形的区域上，很容易产生较大的压曲变形(弯曲变形)。此外，当产生该压曲变形时，由于同一区域的加上驱动电压时的弯曲变形被阻碍，因此会产生从喷嘴部913喷出的墨滴的喷出特性降低的问题。
其原因在于，由形成基板91的金属和形成压电陶瓷层922的压电陶瓷的热膨胀系数的差而引起产生的热应力。
即，一般来说，由于金属比陶瓷的热膨胀系数更大，因此，当进行加热，以利用粘接剂的热硬化使基板91和压电执行机构92粘接、固定时，在加热初期的粘接剂还未硬化的阶段中，金属制的基板91与包括压电陶瓷层922的压电执行机构92相比，会向面方向产生更大的热膨胀。
此外，在该状态下，由于粘接剂硬化而将两者粘接、固定，因此在冷却工序中，基板91与压电执行机构92相比，会向面方向产生更大的收缩，这样，面方向的压缩应力集中在该压电执行机构92的与空腔911对应的区域上，从而在该区域上产生较大的压曲变形。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种如下的压电转换装置，即，由于不会在压电执行机构的与空腔对应的区域上产生较大的压曲变形，因此例如在作为压电喷墨头使用时，与以往相比，可以提高墨滴的喷出特性。
为了解决所述问题，发明人对压电转换装置的构造进行了再次研究。于是发现了如下的事实，即、在粘接剂的热硬化时产生的压电执行机构的压曲变形，当压电陶瓷层的厚度相对于空腔的在基板的面方向的宽度越小，就越显著地产生，从该观点出发，以往的例如所述JP-H11-34320号公报中记述的压电转换装置等的压电陶瓷层过薄。
所以，发明人对压电陶瓷层的厚度T(mm)、空腔的在基板的面方向上的最大宽度W(mm)以及压电执行机构的压曲变形量的关系进行了进一步的详细研究，结果发现，如果使所述厚度T、最大宽度W满足式(1)的范围：
T≥(19.6W+5.5)×10-3 (1)
则由于可以完全消除压电执行机构的与空腔对应的区域的压曲变形，或者将该压曲变形量缩小至在实用上不会产生妨碍的程度，因此在例如作为压电喷墨头使用时，与以往相比，可以提高墨滴的喷出特性。
所以，本发明的压电转换装置是具有如下构造的压电转换装置，即，具有板状的基板，并且在该基板的一侧的面上形成有填充液体的空腔，在该基板的形成了空腔的面上，层叠了包含薄板状的压电陶瓷层的压电执行机构，其特征是，使所述压电陶瓷层的厚度T(mm)、空腔的在基板的面方向上的最大宽度W(mm)满足式(1)的范围：
T≥(19.6W+5.5)×10-3 (1)
另外，在本发明的压电转换装置中，虽然压电陶瓷层的厚度T的上限没有被限定，但是，当厚度T超过100×10-3mm时，即使没有压曲变形，施加驱动电压时的弯曲变形也会变得不充分，因而有可能在例如作为压电喷墨头使用时，使墨滴的喷出特性降低。针对这一点，如果压电陶瓷层的厚度T在100×10-3mm以下，则可以使由驱动电压的施加而产生的弯曲变形量充分大，从而可以进一步提高墨滴的喷出特性。所以，压电陶瓷层的厚度T最好在100×10-3mm以下。
另外，为了进一步可靠地抑制或者防止压电执行机构的压曲变形，压电陶瓷层的厚度T最好处于超过30×10-3mm的范围内。
另外，为了将压电陶瓷层的厚度限定在100×10-3mm以下，空腔的在基板的面方向上的最大宽度W最好在5mm以下。
附图说明
图1是表示本发明的压电转换装置的可以作为压电喷墨头恰当地使用的实施方式的一个例子的剖面图。
图2是表示压电转换装置的变形例的剖面图。
图3是表示以往的压电转换装置的一个例子的剖面图。
具体实施方式
图1是表示本发明的压电转换装置的可以作为压电喷墨头理想地使用的实施方式的一个例子的剖面图。
图例中的压电转换装置具有如下的构造，即，在沿面方向排列了多个用于填充液体的空腔11的板状的基板1的一面上，层叠了包含具有覆盖所述多个空腔11的大小的导电性的振动板21、同样地具有覆盖多个空腔11的大小的平板状的压电陶瓷层22、具有与各个空腔11对应的大小的对应于各空腔11而分离的多个独立电极23的压电执行机构2。
导电性的振动板21与独立电极23一起夹隔压电陶瓷层22，兼有用于对压电陶瓷层22施加驱动电压的作为公共电极的功能。
另外，基板1的直达与层叠了压电执行机构2的一侧相反一侧的面的、用于墨滴喷出的喷嘴部13，借助喷嘴流路12与各空腔11分别连通。另外，虽然未图示，但是用于从喷墨打印机的墨料补给部供给墨料的公共供给路，借助供给口与各空腔11分别连通。
在各空腔11中填充了墨料的状态下，当在作为公共电极的振动板21和多个独立电极23当中的至少一个之间加上驱动电压时，与之对应，压电陶瓷层22当中的被施加了驱动电压的区域就会沿面方向收缩。此外，由于压电陶瓷层22被固定在振动板21上，因此压电执行机构2的被加上驱动电压的区域会随着所述的收缩，按照向空腔11的方向突出的方式发生弯曲变形，并因该弯曲变形而压缩空腔11内的墨料，从喷嘴部13作为液滴喷出，从而进行打印。
所述的基板1是使用例如不锈钢等的金属制的板材制成的。
具体来说，例如通过使具有与空腔11的深度对应的厚度、并且利用使用了光刻法的蚀刻等形成了构成空腔11的通孔的第1板材，具有与喷嘴流路12的长度对应的厚度、并且以同样的方法形成了成为喷嘴流路12的通孔等的第2板材，以及具有与喷嘴部13的长度对应的厚度、并且以同样的方法形成了成为喷嘴部13的通孔的第3板材一体化等，来形成图中的基板1。
另外，作为压电执行机构2中的振动板21，例如使用以钼、钨、钽、钛、铂、铁、镍等单体金属或这些金属的合金或者不锈钢等金属材料形成为具有特定的厚度的板状的构件。
压电陶瓷层22是例如通过煅烧压电体生片或者将压电材料的烧结体研磨成薄板状而制成的。
作为构成压电陶瓷层22的压电陶瓷，例如可以举出锆钛酸铅(PZT)或在该PZT中添加了镧、钡、铌、锌、镍、锰等的氧化物的1种或2种以上的材料，例如PLZT等PZT类压电材料。另外，还可以举出以镁铌酸铅(PMN)、镍铌酸铅(PNN)、锌铌酸铅、锰铌酸铅、锑锡酸铅、钛酸铅、钛酸钡等为主要成分的材料。压电体生片含有通过煅烧而成为所述的任意的压电材料的化合物。
振动板21和压电陶瓷层22可以使用例如粘接剂粘接而一体化。
另外，独立电极23例如利用如下的各种形成方法形成，即，
(a)利用丝网印刷法等印刷法将含有金、银、铂、铜、铝等导电性优良的金属的粉末的导电性糊状物以特定的形状印刷在压电陶瓷层22的表面而形成；
(b)在例如使用粘接剂将与振动板21相同的金属的薄板粘接在压电陶瓷层22的表面而一体化后，提供使用光刻法进行的蚀刻等制成特定的形状；
(c)利用光刻法等在压电陶瓷层22的表面形成具有特定的形状的开口部的镀膜抗蚀层，在镀膜后，除去抗蚀层，制成特定的形状。
图中的压电转换装置如下制造，即，在所述的基板1的排列、形成有多个成为空腔11的凹部的一侧的面上，通过热硬化性的粘接剂的层(未图示)层叠了具有所述的叠层构造的压电执行机构2后，在加压下进行加热，使粘接剂热硬化，从而将两者粘接、固定。
作为在粘接基板1和压电执行机构2中使用的热硬化性的粘接剂，例如可以举出环氧类、聚酰亚胺类以及此外的以往所公知的各种粘接剂。另外，考虑到对于粘接这两者时的加热的耐受性等，即使如前所述粘接压电陶瓷层22、振动板21和构成独立电极23的基础的金属薄板等的粘接剂，也优选使用同类的热硬化性的粘接剂。
在本发明的压电转换装置中，如前所述，需要将压电陶瓷层22的厚度T(mm)、空腔11的在基板的面方向上的最大宽度W(mm)设定为满足式(1)的范围内：
T≥(19.6W+5.5)×10-3 (1)
为此，当设计空腔11的平面形状时，需要考虑要组合的压电陶瓷层22的厚度T来设定最大宽度W，或者以从空腔11的平面形状求得的最大宽度W为基础，来限定要组合的压电陶瓷层22的厚度T，或者同时进行这两者即可。
而且，压电陶瓷层22的厚度T最好如前所述，设定为100×10-3mm以下。另外，厚度T更优选设为超过30×10-3mm的范围。它们的理由如先前说明所示。另外，为了进一步可靠地抑制或者防止压电执行机构的压曲变形，即使在所述的范围内，压电陶瓷层的厚度T也优选为35×10-3mm以上，特别优选40×10-3mm以上。
另外，最大宽度W虽然没有特别限定，但是，为了将压电陶瓷层22的厚度限定在100×10-3mm以下，最好设为5mm以下。
而且，压电执行机构2例如如图2所示，也可以用由与压电陶瓷层22同样地使用压电体生片制成的压电陶瓷形成的振动板24、由金属薄膜形成的公共电极25、压电陶瓷层22、独立电极23的叠层体形成。
此时，将压电陶瓷层22的厚度T1、振动板24的厚度T2的合计的厚度T1+T2设为压电陶瓷层的厚度T(mm)，必须将该T和空腔11的在基板的面方向的最大宽度W(mm)设定在满足所述式(1)的范围内。
这是因为，压电陶瓷制的振动板24与压电陶瓷层22一起作为压电执行机构2的强度构件发挥功能，与所述压曲变形的产生及其防止有关。
而且，由于基板1与图1相同，因此在相同位置使用相同符号，其说明省略。
(实施例)
压电转换装置的模型的制作
作为压电执行机构的模型，制作了由PZT(热膨胀系数5ppm/K)制成的具有表1所示的厚度T(mm)的压电陶瓷层、厚度15×10-3mm的金属制的振动板的叠层体。
另外，作为基板的模型，准备了由不锈钢(热膨胀系数18ppm/K)制成的利用蚀刻形成了与空腔对应的通孔的板材。空腔的在基板的面方向上的最大宽度W(mm)采用了表1所示的值。
此外，在将振动板朝向板材侧，借助环氧类的粘接剂的层将所述叠层体和板材层叠，沿与面正交的方向加压，同时在150℃的恒温槽中加热30分钟，使粘接剂热硬化后，从恒温槽中取出，花费60分钟冷却至23℃。
此后，将压电执行机构的模型的与基板的空腔对应的区域中的面方向的中心位置的相对于周边部的沿与面正交方向的位移量，作为该压电执行机构的压曲变形量，使用激光多普勒振动仪进行了测定。将位移量的绝对值超过10×10-3mm的作为有压曲变形(不好)，将10×10-3mm以下的作为无压曲变形(好)，进行了评价。将结果表示在表1中。
表1
| 最大宽度W | |||||
| 1mm | 2mm | 3mm | 4mm | ||
| 厚度T | 40×10-3mm | 好 | 不好 | 不好 | 不好 |
| 50×10-3mm | 好 | 好 | 不好 | 不好 | |
| 60×10-3mm | 好 | 好 | 不好 | 不好 | |
| 70×10-3mm | 好 | 好 | 好 | 不好 | |
| 80×10-3mm | 好 | 好 | 好 | 不好 | |
从表中可以确认，当厚度T(mm)和最大宽度W(mm)处于满足式
(1)：
T≥(19.6W+5.5)×10-3 (1)
的范围内时，就可以防止压电执行机构的较大的压曲变形。
Claims (4)
1.一种压电转换装置，是具有如下构造的压电转换装置，即，具有板状的基板，并且在该基板的一侧的面上形成有填充液体的空腔，在该基板的形成了空腔的面上，层叠了包含薄板状的压电陶瓷层的压电执行机构，其特征是，使所述压电陶瓷层的厚度T(mm)、空腔的在基板的面方向上的最大宽度W(mm)满足式(1)的范围：
T≥(19.6W+5.5)×10-3 (1)
2.根据权利要求1所述的压电转换装置，其特征是，使压电陶瓷层的厚度T为100×10-3mm以下。
3.根据权利要求1或2所述的压电转换装置，其特征是，使压电陶瓷层的厚度T处于超过30×10-3mm的范围内。
4.根据权利要求1所述的压电转换装置，其特征是，使空腔的在基板的面方向上的最大宽度W为5mm以下。
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