JP2005021772A

JP2005021772A - 圧電アクチュエータ及び印刷ヘッド

Info

Publication number: JP2005021772A
Application number: JP2003188608A
Authority: JP
Inventors: Makoto Higashibetsupu; 誠東別府
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】低電圧で駆動でき、小型化が可能な圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】圧電セラミック部材４と、該圧電セラミック部材４の対向する端面に設けられた一対の電極５、６と、からなる圧電変位素子７を、一対の支持基板２ａ、２ｂが挟持してなり、前記圧電変位素子７がｄ_３３振動を行うことを特徴とし、特に前記一対の支持基板２ａ、２ｂが、複数の圧電変位素子７を挟持していることが好ましい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電変位素子及び圧電アクチュエータに関し、より詳しくは例えば加速度センサ、ノッキングセンサ、ＡＥセンサ等の圧電センサ、燃料噴射用インクジェクター、インクジェットプリンタ用印刷ヘッド、圧電共振子、発振器、超音波モーター、超音波振動子、フィルタ等に適し、特に広がり振動、伸び振動、厚み立て振動を利用した印刷ヘッドとして好適に用いられる圧電体圧電アクチュエータ及び印刷ヘッドに関する。
【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３（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（例えば、特許文献１参照）。流路部材５３は、複数のインク加圧室５３ａが隔壁５３ｂによって仕切られ、インク加圧室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。
【０００５】
圧電アクチュエータ５１は、共通電極５５を表面に具備する振動板５２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の上に個別電極５６を設けている。個別電極５６は、図３（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、複数の圧電変位素子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、数百個もの個別電極５６が形成されており、インク加圧室５３ａの直上に個別電極５６がそれぞれ位置するようにして流路部材５３上に配置している。
【０００６】
このような印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータは、ｄ_３１モードの変位を利用しており、振動板５２の一部が流路部材５３によって固定されているため、個別電極５６側の圧電セラミック層５４が伸縮すると、圧電アクチュエータ５１は流路部材５３の方に凸になるように変形し、インク加圧室５３ａの容積を縮小するため、その時の圧力によってインクをインク吐出口５８から吐出することができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報図１
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載の圧電アクチュエータのように、径方向振動モードｄ_３１を利用した圧電変位素子は変位量が小さいことから、大きな変位量を得るためには、印加電圧を大きくするか、又は積層数を大きくしなければならないという問題があった。
【０００９】
従って、本発明の目的は、低電圧で駆動でき、小型化が可能な圧電アクチュエータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ｄ_３３モードの圧電変位素子を用いることにより、大きな変位量が得られ、小型化の可能な圧電アクチュエータを実現したものである。また、ｄ_３３モードを圧電アクチュエータに応用するにあたり、本発明においては、駆動方向に対して加圧保持した状態で駆動させすることによって、耐久性を保証できることを見出した。
【００１１】
即ち、本発明の圧電アクチュエータは、圧電セラミック部材と、該圧電セラミック部材の対向する端面に設けられた一対の電極と、からなる圧電変位素子を、一対の支持基板が挟持してなり、前記圧電変位素子がｄ_３３振動を行うことを特徴とするものである。
【００１２】
特に、前記一対の支持基板が、複数の圧電変位素子を挟持していることが好ましい。これにより、特定の領域に液滴を吐出するのに好適であり、特に印刷ヘッドとして適している。
【００１３】
また、前記複数の圧電変位素子が、特定の間隔で配列していることが好ましい。これにより、液滴を均一に吐出することができる。
【００１４】
さらに、前記複数の圧電変位素子間に絶縁体が設けられていることが好ましい。これにより、隣接する圧電変位素子への振動の影響を低減することが容易になる。
【００１５】
また、前記圧電変位素子の厚みが１０〜１００μｍであることが好ましい。これにより、大きな変位量を維持したまま、十分な機械的強度を備えることができる。
【００１６】
さらに、前記圧電セラミック部材がＰｂを含むペロブスカイト型化合物であることが好ましい。これにより、変位量をより高めることができる。
【００１７】
また、本発明の印刷ヘッドは、上記の圧電アクチュエータを、液体導入口と、液体加圧室と、液体吐出口とを具備する流路部材に接合してなることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電アクチュエータを印刷ヘッドとして応用した場合について図を用いて詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の圧電アクチュエータを用いた印刷ヘッドを示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図１（ａ）に示したように、この印刷ヘッドは、流路部材３の上に、圧電アクチュエータ１が設けられた構造を有する。
【００２０】
本発明の圧電アクチュエータ１は、例えば、図１（ａ）に示したように、圧電セラミック部材４の対向する端面に共通電極５と個別電極６とからなる一対の電極が形成され、さらに、下部支持基板２ａと上部支持基板２ｂとからなる一対の支持基板２で圧電セラミック部材４を挟持する。
【００２１】
そして、圧電セラミック部材４を、共通電極５と表面個別電極６とで挟持してなる圧電変位素子７が、下部支持基板２ａと上部支持基板２ｂとに挟まれるように、設けられている。実際には、圧電変位素子７と下部支持基板２ａと上部支持基板２ｂとを含む振動領域７ａが変位する部位として示されている。
【００２２】
流路部材３には複数の液体加圧室３ａが並設され、液体加圧室３ａを仕切る壁として隔壁３ｂが形成されている。液体加圧室３ａの開口部の直上に表面個別電極６が配置するように、圧電アクチュエータ１と流路部材３とが接着されている。
【００２３】
共通電極５と表面個別電極６との間に駆動電圧を印加すると、共通電極５と表面個別電極６とで挟持された圧電セラミック部材４が変形し、圧電変位素子７が変位する。この変位に伴って、圧電変位素子７と一体化されている支持基板２も圧電変位素子７と同一方向に変位し、変位領域７ａが変位することとなり、その結果、液体加圧室３ａの容積を変化させるため、その時に発生する圧力で液体加圧室３ａの液体が液体吐出口８から吐出する。
【００２４】
このような複数の圧電変位素子７が、振動板２の表面に設けられてなる圧電アクチュエータ１は、各圧電変位素子７を独立して制御し、微細な領域に振動を起こすため、例えば微量のインクを特定の微細領域に吐出する印刷ヘッドに好適な構造を有している。
【００２５】
そして、圧電アクチュエータ１は、例えば図１（ｂ）に示したように、個別電極６が等間隔で２次元的に配列され、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続され、それぞれの電極間に電圧が印加されると、電圧が印加された内部電極５と個別電極６に挟持された部位の圧電セラミック部材４が変位することができる。このような構造を有することにより、特定の領域に所望の液滴を吐出することができる。従って、印刷ヘッドに好適に用いることができ、インクジェットプリンタの高速化及び高精度化に大きな寄与ができる。
【００２６】
本発明によれば、圧電アクチュエータ１の振動はｄ_３３モードであることが重要である。図１（ａ）のような構成を有する圧電アクチュエータを、ｄ_３３モードで変位させることにより、大きな変位量を得ることができる。そして、変位量が大きいため、積層数を低減することができる、小型化に大きく寄与することができ、さらには一定の変位量であれば低電圧で駆動することが可能である。
【００２７】
一対の支持基板２は、電圧印加前の状態で挟持される圧電セラミック部材を拘束するために用いられ、下部支持基板２ａと上部支持基板２ｂとの間に複数の圧電セラミック部材４を挟むことで複数の圧電変位素子を設けることができる。
【００２８】
圧電セラミック部材４は、特定の間隔で配列していることが好ましい。例えば、図１（ｂ）に示したように、基板面内に個別電極６を等間隔で配列をすることができる。このような等間隔配置は、特定の面に液滴を均一に分布するように吐出することが容易になる。
【００２９】
その場合に、圧電セラミック部材１４間は、空間であっても良いが、絶縁体１９が設けられていることが好ましい。これにより、隣接する圧電変位素子１７の振動の影響つまり、クロストークの影響を小さくすることができる。
【００３０】
また、現在の電子部品における技術動向として要求される高実装密度化、高集積化を達成するという観点から、図２に示したように、個別電極を等間隔での配列した複数の圧電変位素子を厚み方向に積層することもできる。
【００３１】
具体的には、圧電セラミック部材を横に配列するのに加えて、縦に複数並べて変位量をさらに大きくすることができる。即ち、圧電セラミック部材１４ａの両端に共通電極１５ａと個別電極１６ａを形成した圧電変位素子１７ａを下部支持基板１２ａの上に所望の間隔を取って配列し、圧電変位素子下部支持基板１２ａの上に、上部支持基板１２ｂを載置し、さらにその上に、圧電セラミック部材１４ｂの両端に共通電極１５ｂと個別電極１６ｂを形成した圧電変位素子１７ｂを載置し、さらにその上に最上部支持基板１２ｃを載置する。
【００３２】
このような圧電アクチュエータ１１は、縦方向に長い変位領域１７ａを有し、変位領域１７ａの各々が流路部材１３の液体加圧室１３ａの直上に配置し、駆動電圧を圧電アクチュエータ１１に印加すると、液体加圧室１３ａ内の液体を加圧して液体吐出口１８から液滴が吐出する。
【００３３】
絶縁体９としては、ＰＺＴ以外に、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂を用いることができるが、これらの中でも、ガラセラが同時焼成で製造できる点で好ましく、製造工程簡略化の点で好ましく、また、クロストークの影響を防止できる点ではポリイミド樹脂が好ましい。
【００３４】
圧電セラミック部材４は、配線パターンを予め表面に形成しておいた支持基板の上に半田を用いて接合することができる。即ち、これらの間に接合層が設けられていることが好ましい。両者をより強固に接着することができる。
【００３５】
本発明によれば、圧電アクチュエータ１の厚みＴは、支持基板１２を含めた厚みを示すものであり、Ｔが１００μｍ以下であることが好ましい。このように薄層にすることで、大きな変位を得ることができ、また低電圧で高効率の駆動を実現できる。従って、特に最近のカラープリンタの性能向上に伴う高速化及び高精度化の要求に対して、本発明においては、１００μｍ以下の厚みにすることにより、その要求に対応することができ、圧電アクチュエータ及びそれを用いた印刷ヘッドの高性能化に寄与することができる。特に、圧電アクチュエータ１としての特性をさらに高めるため、８０μｍ以下、更には６５μｍ以下、より好適には５０μｍ以下が良い。
【００３６】
また、圧電アクチュエータ１の厚みＴの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱い及び作動中の破壊を防止するため、１０μｍ、特に１５μｍ、更には２０μｍであることが好ましい。
【００３７】
圧電セラミック部材４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。
【００３８】
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圧電特性が優れる点で好ましい。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セラミック部材が得られる。
【００３９】
本発明に用いる支持体２ａ、２ｂは、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Ｐｂ系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも１種を含有することが好ましい。
【００４０】
ｄ_３３モードの振動は、上下方向に膨張するように変位するため、圧電アクチュエータを駆動する際には、個別電極６側から一定の圧力を印加し、上部支持基板２ｂを変位させないように固定して拘束することにより、液体加圧室３ａに対してさらに大きな変位をさせることが可能となる。また、圧電セラミック部材４が、積層体からなる場合には、変位によって界面剥離が発生するのを防止するために、上部支持基板２ｂを拘束することが好ましい。
【００４１】
上部支持基板２ｂの拘束を行うためには、例えば、ばね圧を利用して保持固定したり、上部から一定圧力を印加させたりすることによって実施できる。
【００４２】
内部電極５、個別電極６の材質としては、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。
【００４３】
また、電極５及、６の厚みとしては、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。
【００４４】
本発明の圧電アクチュエータをインクジェットプリンタの印刷ヘッドとして用いる場合、圧電歪定数として、例えばｄ_３３モードを利用することができる。インクジェットプリンタの印刷ヘッドとして十分な吐出能力を発揮し、高速で精細な印刷を実現するために、ｄ_３３が５００ｐｍ／Ｖ以上、特に５５０ｐｍ／Ｖ以上、更には６００ｐｍ／Ｖ以上であることが好ましい。
【００４５】
以上のような構成を圧電アクチュエータは、小型、低電圧駆動、高信頼性という特長を有し、インクジェットプリンタ用圧電アクチュエータ、超音波モーター、及び携帯電話用バイブレータ等の電子部品や、ｄ_３３モードを利用した圧電アクチュエータ用途に好適に応用することができる。
【００４６】
また、本発明の圧電アクチュエータは、インクジェットプリンタの印刷ヘッドに適応することで、小型、低消費電力、高速、高精度な印刷が可能な優れた特性を有する。
【００４７】
【実施例】
実施例
まず、チタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電体粉末を成形してグリーンシートを作製した。また、内部電極ペーストを作製した。得られた内部電極ペーストを、グリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、内部電極を形成し、積層成形体を作製した後、焼成した。
【００４８】
得られた焼結体を所定の大きさに切断し、支持基板に半田接合を行った。この時、圧電セラミック部材の配列は、図１に示すものと同じ物を作製した。
【００４９】
圧電セラミック部材の厚みは、１０、５０、８５μｍ、であった。
【００５０】
変位量の測定は、図１に示したように、溝３ａと隔壁３ｂを有する流路部材３に、上記作製した圧電アクチュエータ１を接着し、圧電セラミック部材４を内部電極５と個別電極６で挟持する構造となるように圧電変位素子７を作製した。そして、レーザードップラー変位計により流路部材３側から溝３ａを通して圧電アクチュエータにレーザービームを照射し、流路部材３の溝３ａに当接している圧電アクチュエータの中心部及び周辺部７点を測定して変位を測定し、平均値を算出した。
【００５１】
なお、上記変位量の測定に用いた流路部材３の液滴吐出口８は、レーザービームを照射し、変位量の測定が可能なように、液滴吐出口８の径が十分大きいものを用いた。
【００５２】
その結果、ｄ_３３がそれぞれ５０４ｐｍ／Ｖ、６１０ｐｍ／Ｖ、５５１ｐｍ／Ｖ、変位は駆動電圧１０Ｖで、１５３μｍ、１９５μｍ、１７４μｍと大きかった。
【００５３】
比較例
チタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電体粉末を成形してグリーンシートを作製し、一部のグリーンシートには導体ペーストを表面に塗布し、これを内部電極とした。また、一部のグリーンシートにはビアホールを設け、内部に導体ペーストを充填した。内部電極を形成したグリーンシートとグリーンシートを積層し、これを積層して積層体を作製した。
【００５４】
得られた積層体を焼成し、得られた焼結体の表面に、個別電極を形成した。そして、図３に示したような圧電アクチュエータを作製した。
【００５５】
実施例と同様の評価を行った。その結果、比較例のｄ_３３がそれぞれ２０ｐｍ／Ｖと小さく、変位も駆動電圧が２０Ｖで２５μｍしかなかった。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の圧電アクチュエータに使用する積層圧電体は、ｄ_３３モードを利用しているため小型、低電圧駆動が可能となり、従来の課題であった長期変位駆動による信頼性を確保できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータの応用例としての印刷ヘッドの構造を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータの他の構造を示す概略断面図である。
【図３】従来の圧電アクチュエータを用いた印刷ヘッドの構造を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電アクチュエータ
２・・・支持基板
２ａ・・・上部支持基板
２ｂ・・・下部支持基板
３・・・流路部材
３ａ・・・液体加圧室
３ｂ・・・隔壁
４・・・圧電セラミック部材
５・・・共通電極
６・・・個別電極
７・・・圧電変位素子
７ａ・・・変位領域
８・・・液滴吐出口
９・・・絶縁体
Ｔ・・・圧電アクチュエータの厚み

Claims

圧電セラミック部材と、該圧電セラミック部材の対向する端面に設けられた一対の電極と、からなる圧電変位素子を、一対の支持基板が挟持してなり、前記圧電変位素子がｄ_３３振動を行うことを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記一対の支持基板が、複数の圧電変位素子を挟持し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。
前記複数の圧電変位素子が、特定の間隔で配列していることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
前記複数の圧電変位素子間に絶縁体が設けられていることを特徴とする請求項２又は３記載の圧電アクチュエータ。
前記圧電変位素子の厚みが１０〜１００μｍ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。
前記圧電セラミック部材がＰｂを含むペロブスカイト型化合物であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
請求項１〜６のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、液体導入口と、液体加圧室と、液体吐出口とを具備する流路部材に接合してなることを特徴とする印刷ヘッド。