JP2005021771A

JP2005021771A - 圧電アクチュエータ、液体吐出装置及び電子機器

Info

Publication number: JP2005021771A
Application number: JP2003188607A
Authority: JP
Inventors: Yuji Takagi; 裕二高木
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】均一な変位が起こり、且つ安定した変位を示す圧電アクチュエータ、液体吐出装置及び電子機器を提供する。
【解決手段】軸心１２が中空で、該軸心１２に対して、圧電体層１５と、これを挟持する一対の電極１４、１６とが同心円状に配置されてなることを特徴とし、前記電極の一方１４が、内部電極として絶縁体１７中に設けられ、前記電極の他方１６が、外部電極として絶縁体中、または外側表面に設けられていることが好ましい。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ、液体吐出装置及び電子機器に関し、より詳しくは例えばインクジェットヘッドのように、広がり振動、伸び振動、厚み立て振動を利用した液体吐出装置として好適に用いられる圧電アクチュエータ、及び接着剤やインク等の精密吐出・液体搬送に用いられるポンプ等に好適に用いられる圧電アクチュエータと、これを用いた液体吐出装置、並びに液体吐出装置を用いた電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、圧電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（発信子を含む）、超音波振動子、超音波モーター、圧電センサ等がある。
【０００３】
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。
【０００４】
インクジェット方式を利用した印刷ヘッドは、例えば図６（ａ）に示したように、圧電アクチュエータ５１が、流路部材５３の上に設けられた構造を有する。流路部材５３は、複数の液体加圧室５３ａが隔壁５３ｂによって仕切られ、インク液体加圧室５３ａは圧電アクチュエータ５１に当接するように並設されている（例えば、特許文献１参照）。なお、液体加圧室には液体導入口と、液体吐出口とが設けられ、さらに、図示していないが、液体導入口には、液体流路が連結され、液体貯蓄部から液体が随時供給される構造になっていることはいうまでもない。
【０００５】
圧電アクチュエータ５１は、共通電極の役割を兼ねた導電性の振動板５５上に圧電セラミック層５４が設けられ、圧電セラミック層５４の上に表面電極５６を設けられている。表面電極５６は、図６（ｂ）に示したように、圧電セラミック層５４の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部５７が形成されたものである。この圧電アクチュエータ５１は、液体加圧室５３ａの直上に表面電極５６が位置するようにして流路部材５３上に配置している。
【０００６】
上記のような印刷ヘッドは、共通電極５５と所定の表面電極５６との間に電圧を印加して該表面電極５６直下の圧電セラミック層５４を変位させることにより、インク液体加圧室５３ａ内の液体を加圧して、流路部材５３の底面に開口した液体吐出口５８より液滴を吐出することから、圧電アクチュエータからなる圧力発生装置が設けられている。
【０００７】
このような構造を有する圧電アクチュエータは、平板の表面に複数の圧電変位素子が形成されたものであるため、該圧電アクチュエータに接続する流路部材の構造が複雑で、そのために気泡やごみ等が溜りやすいといった問題があった。
【０００８】
そこで、外周面に電極を有する円筒形状の圧電体と、該圧電変位素子の内側に導電性の薄肉の中空パイプを配置し、中空パイプを介して駆動電圧を印加することによって、円筒形状の圧電変位素子が中空パイプを圧縮する方向に変位し、それにより中空パイプなどの内部の液体を押出すことにより、液体を中空パイプから外部に吐出することができる（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
この圧電変位素子は共振周波数近傍の駆動周波数で連続的に駆動して継続的な圧力脈動を発生させ、液体の流路に配置された弁や流れの方向により流路抵抗の異なる流体要素との組み合わせでポンプとして使用されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開平７−３１７６６０号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２の圧電変位素子は、例えば内径０．２ｍｍ、外形０．４ｍｍの中空パイプを圧電変位素子の内側に緩やかに嵌合させたものであり、中空パイプと圧電変位素子との接触面積が低いため、駆動電圧が不均一に圧電変位素子に印加され、圧電変位素子の変位が安定せず、変位量がばらつくという問題があった。
【００１３】
また、この方法は中空パイプの変形を介して液体を吐出させるため、中空パイプが金属疲労を起こし、あるいは変形し、変位特性が長期的に安定しないという問題があった。
【００１４】
従って、本発明は、均一な変位が起こり、且つ安定した変位を示す圧電アクチュエータ、液体吐出装置及び電子機器を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、中空の円筒形状積層体として電極と圧電体とを一体化することにより、均一な変位が起こり、且つ安定した変位を示す圧電アクチュエータ、液体吐出装置及び電子機器を実現できるという知見に基づくものである。
【００１６】
即ち、本発明の圧電アクチュエータは、軸心が中空で、該軸心に対して、圧電体層と、これを挟持する一対の電極とが同心円状に配置されてなることを特徴とするものである。
【００１７】
特に、前記電極の一方が、内部電極として絶縁体中に設けられていることが好ましい。また、前記電極の他方が、外部電極として絶縁体中、または外側表面に設けられていることが好ましい。
【００１８】
さらに、前記圧電体層が、軸心方向に変形駆動することが好ましく、さらに、前記軸心の中空部直径が、１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
また、本発明の液体吐出装置は、液体供給口と、請求項１〜５のいずれかに記載の圧電アクチュエータからなる液体加圧室と、液体吐出口とを具備し、前記軸心の中空部が液体流路を構成してなることを特徴とするものである。
【００２０】
さらに、本発明の電子機器は、上記の液体吐出装置を具備することを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電アクチュエータを、図を用いて詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の圧電アクチュエータ１の構造を示すもので、（ａ）は中心軸に平行な面の断面図、（ｂ）は中心軸に垂直な面の断面図である。
【００２３】
本発明は、図１に示したように、円筒状の圧電アクチュエータ１に関するものであり、例えば、中心軸の軸心２に対してその周囲に中空部３が設けられ、その外側へ同心円状に第１電極４、圧電体層５、第２電極６がこの順に設けられた構造を有している。これらの第１電極４、圧電体層５、第２電極６が一体化されて圧電変位素子を形成していることが重要である。
【００２４】
このように、第１電極４、圧電体層５、第２電極６が一体化されていることにより、軸心２に対して対象な変位を得ることができる。従って、従来のように、中空パイプが一方の電極である場合に、中空パイプが圧電体層と接している部分のみが変位するため、部分的な変位しか得られず、しかも圧電変位素子が複数配列している場合には、中空パイプと圧電体層の接触状態がそれぞれの圧電変位素子間でことなるため、圧電変位素子の変位量が異なるため、液滴吐出装置に用いた場合には吐出する液滴の量と速度に大きなバラツキがあったが、本発明においては、円周方向に均一に変位するのみならず、多数の圧電変位素子を配列しても、圧電変位素子間で均一な変位量を示すことができる。
【００２５】
また、同心円状に圧電変位素子が形成されているため、これを液滴吐出装置として用いた場合には、液体を略直線状に輸送するため、気泡やごみ等が溜まり難いという利点がある。
【００２６】
第１電極４と、第２電極６との間に駆動電圧が印加されると、圧電変位素子が、中心軸に垂直な方向に圧電体層５が収縮・膨張を伴う振動をする。
【００２７】
図２は、本発明の他の構造を有するアクチュエータであり、（ａ）は中心軸に平行な面の断面図、（ｂ）は中心軸に垂直な面の断面図である。図２によれば、図１に加えて、軸心１２の周囲に設けられた中空部１３と接するように第１電極１４の内側に絶縁体（以下、セラミック層と言う）１７ａが形成されている。また、第２電極１５の外側にもセラミック層１７ｂが設けられている。
【００２８】
第１電極１４と第２電極１６はセラミック層１７ａ、１７ｂ及び圧電セラミック層１５からなる絶縁体の内部に形成された内部電極となっており、外気から遮断されるため、電極を構成する金属の酸化や劣化を低減し、断線を防止するので、長寿命が期待でき、さらに信頼性を高めることができる。
【００２９】
圧電アクチュエータ１１には、セラミック層１７ａ、第１電極１４、圧電体層１５、第２電極１６、及びセラミック層１７ｂからなる圧電変位素子が形成され、第１電極１４と第２電極１６との間に駆動電圧を印加すると、圧電変位素子が振動する。
【００３０】
圧電アクチュエータの駆動方法については、円筒形状の圧電変位素子が中空部を圧縮する方向に変位し、中空部に液体が充填されている場合には、その液体を押し出す作用が働き、液体を中空部から外部に吐出することができる。
【００３１】
例えば、図３に示したような変化を伴う。即ち、図３（ａ）駆動電圧の印加前の状態を示し、図３（ｂ）は駆動電圧を印加した直後の状態を示したものであり、セラミック層１７ａ、第１電極１４、圧電体層１５、第２電極１６、及びセラミック層１７ｂは軸心１２方向に変位し、中空部１３の体積を減少させる。
【００３２】
なお、圧電アクチュエータは、中心軸方向において中心でも、端部でも軸心１２方向への同様な収縮を示すが、実際には、両端を流体通路等と接続して固定されるため、実質的に端部は変位が小さくなり、中央部が大きいため、図３（ｂ）のような変位を示すが、変位の仕方はこれに限るものではない。
【００３３】
前記圧電アクチュエータの圧電体層１５は、圧電性を示すセラミックスを用いることができ、具体的には、Ｂｉ層状化合物、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、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、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物質を例示できる。
【００３４】
これらのうち、特に、少なくともＰｂを含むペロブスカイト型化合物であるのが良い。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、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物質が好ましい。このような組成にすることで、高い圧電定数を有する圧電振動層が得られる。
【００３５】
特に、上記ペロブスカイト型結晶の一例として、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Ｔｉを含有する結晶であるＰｂＺｒＴｉＯ_３を好適に使用できる。また、他の酸化物を混合しても良く、さらに、副成分として、特性に悪影響がない範囲であれば、Ａサイト及び／又はＢサイトに他元素が置換しても良い。例えば、副成分としてＺｎ、Ｓｂ、Ｎｉ及びＴｅを添加し、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３及びＰｂ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）Ｏ_３の固溶体であっても良い。
【００３６】
本発明によれば、上記ペロブスカイト型結晶における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Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａなどが有り、特にＢａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましい。これにより、比誘電率が向上する結果、さらに高い圧電定数を示すことが可能となる。
【００３７】
具体的には、Ｐｂ_{１−ｘ―ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）_ａ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）_ｂＺｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｔｉ_ｃＯ_３＋α質量％Ｐｂ_１／２ＮｂＯ_３（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）で表される化合物を例示できる。
【００３８】
前記圧電アクチュエータの電極材質としては、導電性を有するものならば何れでも良く、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金などが用いられる。また、電極厚みとしては、導電性を有し且つ変位を妨げない程度である必要があり、０．５〜５μｍ、特に１〜３μｍ程度が好ましい。
【００３９】
絶縁体は、電気的絶縁性を有するものであればどのようなものでも使用できるが、高硬度で、振動の信頼性を高めるため、絶縁性セラミックスが好ましい。例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、コージェライト、窒化珪素、ジルコニア、シリカ、ガラス等を例示できる。
【００４０】
次に、前記円筒状圧電アクチュエータを用いた液体吐出装置について説明する。
【００４１】
図４は、本発明の圧電アクチュエータを用いた液体吐出装置の構造を示す断面図である。液体吐出装置は、図４に示したように、円筒状の圧電アクチュエータ３１と、液体導入部３２と、液体吐出部３３とを具備している。
【００４２】
液体導入部３２には圧電アクチュエータ３１を固定するための上部保持体３２ａと、液体導入口３８とが備えられ、液体導入口３８から液体が圧電アクチュエータに供給される。また、液体吐出部３３には、下部保持体部３３ａと、液体吐出口（ノズル）３９とが備えられ、液体吐出口３９から液体が吐出する。
【００４３】
圧電アクチュエータ３１の中空部がインク加圧室４０を形成し、上部にインク供給路、下部にノズル（吐出口）を接続することで簡易の液体吐出装置として利用できる。
【００４４】
圧電アクチュエータには、上述した本発明の円筒状のものを使用できる。図４には、図２に記載の圧電アクチュエータを例として示した。即ち、圧電アクチュエータ３１には、セラミック層３７ａ、第１電極３４、圧電体層３５、第２電極３６、及びセラミック層３７ｂからなる圧電変位素子が形成され、第１電極３４と第２電極３６との間に駆動電圧を印加すると、圧電変位素子が図３に示したような振動を発生する。
【００４５】
圧電アクチュエータ３１の圧電変位素子が液体加圧室４０の液体を圧縮する方向に変位し、圧縮された液体は液体吐出口３９から外部に吐出することができる。
【００４６】
圧電変位素子の変位量は、液体加圧室４０の容積、及び吐出する液滴量によって適宜決定すればよく、また、液滴の吐出速度を考慮して設計すれば良い。
【００４７】
また、本発明の液体吐出装置は、円筒状の圧電アクチュエータを高密度に配列し、微細な領域に液体を吐出することができる。図５は圧電アクチュエータを特定の間隔を置いて配列したもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。液体吐出装置は、図５に示したように、円筒状の圧電アクチュエータ４１と、液体導入部４２と、液体吐出部４３とを具備している。
【００４８】
液体導入部４２は、圧電アクチュエータ４１の一方の端部を固定するとともに、内部に液体流路４４が設けられ、液体流路４４から分岐した液体導入口４８とが備えられ、液体導入口４８から液体が圧電アクチュエータ４１の液体加圧室５０に供給される。
【００４９】
また、液体吐出部４３は、圧電アクチュエータ４１の一方の端部を固定するとともに、表面に液体吐出口（ノズル）４９とが備えられ、圧電アクチュエータ４１が液体加圧室５０の体積を減少するように変位すると、液体に圧力が加わって、液体吐出口４９から液滴が吐出する。
【００５０】
このように、本発明の液体吐出装置は、本発明の圧電アクチュエータを多連多列に配置することができ、しかもノズルピッチを自由に設定することが可能となるため、高密度のノズル配置も容易に実現することができる。また、液体通路を単純化できるため、気泡やごみ等が溜まり難いという利点がある。
【００５１】
前記円筒状圧電アクチュエータを用いた吐出装置は、微量の液滴を吐出するために、インクジェットプリンタ、印刷機、接着剤やインク等の精密吐出、液体搬送に用いられるポンプ等の様々な分野で応用することが可能である。そして、インクジェットヘッドを利用したプリンタのような電子機器に対して好適に用いることができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の圧電アクチュエータは、中空の円筒形状積層体として電極と圧電体とを一体化しているため、気泡が滞留しにくく、均一な変位が起こり、安定した変位を示すことができる。また、小型化、高密度化に対しても大きな寄与ができる。
【００５３】
また、本発明の液体吐出装置は、上記の円筒型圧電アクチュエータを用いるため、高密度のインク吐出口を具備する印刷ヘッド又はそれを用いたプリンタや印刷機に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータの構造を示すもので、（ａ）概略断面図、（ｂ）平面図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータの他の構造を示すもので、（ａ）概略断面図、（ｂ）平面図である。
【図３】本発明の圧電アクチュエータの変位状態を説明するための概略断面図で、（ａ）は駆動電圧印加前、（ｂ）駆動電圧印加時である。
【図４】本発明の液体吐出装置の構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明の液体吐出装置の他の構造を示す概略断面図である。
【図６】従来の圧電アクチュエータの構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、１１、３１・・・圧電アクチュエータ
２、１２・・・軸心
３、１３・・・中空部
４、１４、３４・・・第１電極
５、１５、３５・・・圧電体層
６、１６、３６・・・第２電極
１７・・・セラミック層
１７ａ・・・セラミック層
１７ｂ・・・セラミック層
３２、５２・・・液体導入部
３２ａ・・・上部保持体
３３、５３・・・液体吐出部
３３ａ・・・下部保持体
３８、５８・・・液体導入口
３９、５９・・・液体吐出口
４０・・・液体加圧室

Claims

軸心が中空で、該軸心に対して、圧電体層と、これを挟持する一対の電極とが同心円状に配置されてなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記電極の一方が、内部電極として絶縁体中に設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
前記電極の他方が、外部電極として絶縁体中、または外側表面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
前記圧電体層が、軸心方向に変形駆動することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
前記軸心の中空部直径が、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
液体供給口と、請求項１〜５のいずれかに記載の圧電アクチュエータからなる液体加圧室と、液体吐出口とを具備し、前記軸心の中空部が液体流路を構成してなることを特徴とする液体吐出装置。
請求項６記載の液体吐出装置を具備することを特徴とする電子機器。