JP2005019550A - 圧電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】圧電アクチュエータ２中の圧電セラミック層２２の厚みＴ（μｍ）と、基板１のキャビティ１１の、当該基板１の面方向の最大幅Ｗ（ｍｍ）とを式（１）：
Ｔ≧（１９．６Ｗ＋５．５）×１０^−３ （１）
を満足する範囲とした圧電変換装置である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【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、各キャビティ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】
請求項１記載の発明は、液体を充てんするためのキャビティを形成した板状の基板の片面に、平板状の圧電セラミック層を含む圧電アクチュエータを積層した構造を有する圧電変換装置であって、上記圧電セラミック層の厚みＴ（μｍ）と、キャビティの、基板の面方向の最大幅Ｗ（ｍｍ）とを式（１）：
Ｔ≧（１９．６Ｗ＋５．５）×１０^−３ （１）
を満足する範囲としたことを特徴とする圧電変換装置である。
【００１２】
また請求項２記載の発明は、圧電セラミック層の厚みＴを１００μｍ以下とした請求項１記載の圧電変換装置である。
【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（μｍ）と、キャビティの、基板の面方向の最大幅Ｗ（ｍｍ）と、そして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 （１）
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ることができるか、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】
したがって前記請求項１記載の発明によれば、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。
なお圧電セラミック層の厚みの上限は限定されないものの、厚みが１００μｍを超える場合は、座屈変形がなくても、駆動電圧を印加した際の撓み変形が不十分になって、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が低下するおそれがある。
【００１６】
これに対し、圧電セラミック層の厚みを１００μｍ以下とした前記請求項２記載の発明によれば、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。
図に見るようにこの例の圧電変換装置は、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】
また各キャビティ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、インク滴吐出のためのノズル部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、各キャビティ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内のインクを圧縮して、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、これも前記のように、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となる通孔を形成した第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となる通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となる通孔を形成した第３の板材とを一体化するなどして、図の基板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（μｍ）と、キャビティ１１の、基板の面方向の最大幅Ｗ（ｍｍ）とを式（１）：
Ｔ≧（１９．６Ｗ＋５．５）×１０^−３ （１）
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１００μｍ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、３０μｍを超える範囲とするのが好ましく、３５μｍ以上、特に４０μｍ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１００μｍ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Ｔ_１と、振動板２４の厚みＴ_２との合計の厚みＴ_１＋Ｔ_２を圧電セラミック層の厚みＴ（μｍ）とし、このＴと、キャビティ１１の、基板の面方向の最大幅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（μｍ）を有する圧電セラミック層と、厚み１５μｍ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通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１０μｍを超えたものを座屈変形あり（×）、１０μｍ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（μｍ）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)

1. 液体を充てんするためのキャビティを形成した板状の基板の片面に、平板状の圧電セラミック層を含む圧電アクチュエータを積層した構造を有する圧電変換装置であって、上記圧電セラミック層の厚みＴ（μｍ）と、キャビティの、基板の面方向の最大幅Ｗ（ｍｍ）とを式（１）：
   Ｔ≧（１９．６Ｗ＋５．５）×１０^−３ （１）
   を満足する範囲としたことを特徴とする圧電変換装置。
2. 圧電セラミック層の厚みＴを１００μｍ以下とした請求項１記載の圧電変換装置。

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