JP2005159042A - Piezoelectric actuator and liquid injector - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator and a liquid injector in which even if a displacement is repeatedly made, it is hard for cracks to occur. <P>SOLUTION: The piezoelectric actuator is constituted of a plurality of displacement areas and a non-displacement area provided surrounding the displacement area on the same flat plane. A grain boundary between two faces of a main crystal of a piezoelectric layer does not substantially contain a glass phase, and a common electrode, the piezoelectric layer and a surface electrode are laminated in this order on a vibration plate substrate, and a plurality of the surface electrodes are arranged two-dimensionally on a surface of the piezoelectric layer. The displacement area is formed of the piezoelectric layer, the surface electrode, a region opposed to the surface electrode of the command electrode, and a region opposed to the surface electrode of the vibration plate, preferably. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、布、紙、プラスチック、金属、ガラス及びセラミックス、シリコンやGaAs等の半導体用基板等からなる記録媒体の表面に微小な液滴を噴射して文字や画像をする各種プリンタや記録計、ファクシミリ、あるいは捺染分野や窯業分野で文様形成等に用いられる印刷機等の記録装置に好適に使用される印刷ヘッドに好適に使用できる圧電アクチュエータ及び液体噴出装置に関する。   The present invention relates to various printers and recorders for ejecting minute droplets onto the surface of a recording medium made of cloth, paper, plastic, metal, glass and ceramics, a semiconductor substrate such as silicon or GaAs, etc. The present invention relates to a piezoelectric actuator and a liquid ejecting apparatus that can be suitably used for a printing head that is preferably used for a printing apparatus such as a facsimile machine or a printing machine used for pattern formation in the textile printing field and the ceramic industry.

近年、マルチメディアの浸透に伴い、インパクト方式の記録装置に代わって、インクジェット方式や熱転写方式を利用したノンインパクト方式の記録装置が開発され、その利用範囲が各種産業分野および一般家庭分野において広がりつつある。   In recent years, with the penetration of multimedia, non-impact recording devices using inkjet and thermal transfer methods have been developed in place of impact recording devices, and the range of use is expanding in various industrial and general household fields. is there.

かかるノンインパクト方式の記録装置のなかでも、インクジェット方式を利用した記録装置は、多階調化やカラー化が容易で、ランニングコストが低いことから将来性が注目されている。   Among such non-impact recording apparatuses, a recording apparatus using an ink-jet system is attracting attention because it is easy to increase the number of gradations and colors and has a low running cost.

このインクジェット方式を利用した記録装置に用いられる印刷ヘッドは、流路部材に設けられた液体流路内の液体を加圧し、液体加圧室から、ノズルを経由して液滴を噴出し、記録媒体に記録するものである。このような流路部材は、液体を加圧するためのアクチュエータと、液体の流路を形成する流路部材とから構成される。   A print head used in a recording apparatus using the ink jet system pressurizes liquid in a liquid flow path provided in a flow path member, and ejects liquid droplets from a liquid pressurizing chamber via a nozzle to perform recording. It is recorded on a medium. Such a flow path member includes an actuator for pressurizing a liquid and a flow path member that forms a flow path for the liquid.

例えば図3(a)に示したように、圧電アクチュエータ21が、流路部材23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23は、複数のインク加圧室23aが隔壁23bによって仕切られ、インク加圧室23aは圧電アクチュエータ21に当接するように並設されている。   For example, as shown in FIG. 3A, the piezoelectric actuator 21 has a structure provided on the flow path member 23 (see, for example, Patent Document 1). In the flow path member 23, a plurality of ink pressurization chambers 23 a are partitioned by partition walls 23 b, and the ink pressurization chambers 23 a are arranged in parallel so as to contact the piezoelectric actuator 21.

圧電アクチュエータ21は、振動板22の表面に共通電極25、圧電セラミック層24、表面電極26がこの順に形成されている。表面電極26は、図3(b)に示したように、圧電セラミック層24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27が形成されたものである。この圧電アクチュエータ21は、数百個もの表面電極が形成される場合があり、インク加圧室23aの直上に表面電極26がそれぞれ位置するようにして流路部材23上に配置している。   In the piezoelectric actuator 21, a common electrode 25, a piezoelectric ceramic layer 24, and a surface electrode 26 are formed in this order on the surface of the diaphragm 22. As shown in FIG. 3B, a plurality of surface displacement electrodes 26 are arranged on the surface of the piezoelectric ceramic layer 24 to form a plurality of piezoelectric displacement elements 27. The piezoelectric actuator 21 may be formed with hundreds of surface electrodes, and is disposed on the flow path member 23 so that the surface electrodes 26 are respectively positioned immediately above the ink pressurizing chamber 23a.

そして、共通電極25と所定の表面電極26との間に電圧を印加して該表面電極26直下の圧電セラミック層24を変位させることにより、インク加圧室23a内のインクを加圧して、流路部材23の底面に開口した液体吐出口28よりインク滴を吐出させることができる。   Then, a voltage is applied between the common electrode 25 and the predetermined surface electrode 26 to displace the piezoelectric ceramic layer 24 immediately below the surface electrode 26, thereby pressurizing the ink in the ink pressurizing chamber 23a to flow. Ink droplets can be ejected from the liquid ejection port 28 opened on the bottom surface of the path member 23.

副成分としてガラス成分が含まれている。
特開平11−34321号公報
A glass component is contained as an accessory component.
JP 11-34321 A

しかしながら、上記の印刷ヘッドように、変位領域と、非変位領域とが同一平面上に配置された圧電アクチュエータを利用したものにおいては、繰返しの変位によって変位部及びその周囲に応力が加わるため、圧電セラミックスを用いると、クラックが生成し、インク漏れや圧電変位素子の変位異常が発生するという問題があった。   However, in the case of using the piezoelectric actuator in which the displacement area and the non-displacement area are arranged on the same plane as in the above-described print head, stress is applied to the displacement portion and its periphery due to repeated displacement. When ceramics are used, there is a problem that cracks are generated and ink leakage or displacement abnormality of the piezoelectric displacement element occurs.

そこで、本発明の目的は、変位を繰返し行ってもクラックの発生しにくい圧電アクチュエータ及び液体吐出装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator and a liquid ejection device that are unlikely to generate cracks even when displacement is repeated.

本発明の圧電アクチュエータは、同一平面に、複数の変位領域と、該変位領域を取り囲むように設けられた非変位領域とによって構成された圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体層の主結晶の三重点粒界にガラス相が存在し、該主結晶の二面間粒界にガラス相が実質的にないことを特徴とする。   The piezoelectric actuator according to the present invention is a piezoelectric actuator comprising a plurality of displacement regions and a non-displacement region provided so as to surround the displacement regions on the same plane, wherein the triple-dot grains of the main crystal of the piezoelectric layer A glass phase is present in the boundary, and there is substantially no glass phase in a grain boundary between the two faces of the main crystal.

特に、前記振動板基板上に、共通電極、圧電体層及び表面電極がこの順に積層され、該表面電極が前記圧電体層の表面に2次元的に複数配列してなり、変位領域が前記圧電体層と、前記表面電極と、前記共通電極の該表面電極と対向する部位と、前記振動板の該表面電極と対向する部位と、により形成されてなることが好ましい。   In particular, a common electrode, a piezoelectric layer, and a surface electrode are laminated in this order on the diaphragm substrate, and the surface electrode is two-dimensionally arranged on the surface of the piezoelectric layer, and a displacement region is the piezoelectric layer. It is preferable to be formed by a body layer, the surface electrode, a portion of the common electrode facing the surface electrode, and a portion of the diaphragm facing the surface electrode.

前記圧電体が、鉛を含むペロブスカイト型化合物からなることが好ましい。   The piezoelectric body is preferably made of a perovskite type compound containing lead.

前記圧電体が、Ti及び/又はZrを含むことが好ましい。   The piezoelectric body preferably contains Ti and / or Zr.

前記三重点粒界のガラス相が、Siを含むことが好ましい。   It is preferable that the glass phase of the triple point grain boundary contains Si.

本発明の液体吐出装置は、一方の表面に液体吐出ノズルを有し、他の表面に圧電アクチュエータの搭載部を有し、内部に液体流路を有する流路部材の表面に、請求項1〜4のいずれかに記載の圧電アクチュエータを設けてなることを特徴とする。   The liquid ejection apparatus of the present invention has a liquid ejection nozzle on one surface, a mounting portion for a piezoelectric actuator on the other surface, and a surface of a flow path member having a liquid flow path inside. 4. The piezoelectric actuator according to any one of 4 is provided.

圧電セラミックスの駆動中に発生するクラックは、主結晶の二面間粒界が粒界相としてガラスを含む場合にクラックが発生しやすいという新規な知見を得、主結晶の二面間粒界の粒界相に存在するガラス量を低減することにより、変位の繰返しに対する耐性を改善することができ、その結果、変位を繰返し行ってもクラックの発生を抑制することができ、本発明に至ったものである。   The cracks that occur during the driving of the piezoelectric ceramics were obtained from the new knowledge that cracks are likely to occur when the grain boundaries between the two faces of the main crystal contain glass as the grain boundary phase. By reducing the amount of glass present in the grain boundary phase, it is possible to improve the resistance to repeated displacement, and as a result, the occurrence of cracks can be suppressed even when the displacement is repeatedly performed, leading to the present invention. Is.

クラック発生のメカニズムは明確ではないが、変位部において加わる応力が大きいため、二面間粒界のガラスがあると繰返し応力によって疲労し、次第に主結晶粒子間に間隙が発生するものと考えられる。   The mechanism of crack generation is not clear, but since the stress applied at the displacement part is large, it is thought that if there is glass at the grain boundary between two faces, fatigue occurs due to repeated stress, and gaps are gradually generated between the main crystal grains.

特に、前記振動板基板上に、共通電極、圧電体層及び表面電極がこの順に積層され、該表面電極が前記圧電体層の表面に2次元的に複数配列してなり、変位領域が前記圧電体層と、前記表面電極と、前記共通電極の該表面電極と対向する部位と、前記振動板の該表面電極と対向する部位と、により形成されてなるため、これを液滴吐出装置に好適に採用することができ、その結果、微小な空間に微量の液滴を噴出できる。   In particular, a common electrode, a piezoelectric layer, and a surface electrode are laminated in this order on the diaphragm substrate, and the surface electrode is two-dimensionally arranged on the surface of the piezoelectric layer, and a displacement region is the piezoelectric layer. Since it is formed by a body layer, the surface electrode, a portion of the common electrode facing the surface electrode, and a portion of the diaphragm facing the surface electrode, this is suitable for a droplet discharge device. As a result, a small amount of droplets can be ejected into a minute space.

前記圧電体が、鉛を含むペロブスカイト型化合物からなるため、大きな変位を得ることができ、変位特性に優れた圧電アクチュエータを得ることが容易となる。   Since the piezoelectric body is made of a perovskite type compound containing lead, a large displacement can be obtained, and a piezoelectric actuator having excellent displacement characteristics can be easily obtained.

前記圧電体が、Ti及び/又はZrを含むため、安定した圧電特性を有する圧電アクチュエータを得ることが容易となる。   Since the piezoelectric body contains Ti and / or Zr, it is easy to obtain a piezoelectric actuator having stable piezoelectric characteristics.

前記三重点粒界のガラス相が、Siを含むため、より緻密な圧電体を得ることができ、その結果、より優れた圧電特性を実現できる。   Since the glass phase of the triple point grain boundary contains Si, a denser piezoelectric body can be obtained, and as a result, more excellent piezoelectric characteristics can be realized.

本発明の液体吐出装置は、上記の圧電アクチュエータを具備するため、長期信頼性の高い液体吐出装置を得ることができ、これをインクジェットヘッドに採用すれば、高精彩、高画質の印刷を安定して得ることができる。   Since the liquid ejecting apparatus of the present invention includes the above-described piezoelectric actuator, it is possible to obtain a liquid ejecting apparatus with high long-term reliability. If this is used in an ink jet head, high-definition and high-quality printing can be stabilized. Can be obtained.

本発明を、図を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態である圧電アクチュエータの構造を示すもので、図1(a)は圧電アクチュエータの断面図、(b)は圧電アクチュエータを拘束部材に接合した状態を示す断面図、(c)は(b)の平面図である。   The present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B show the structure of a piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a sectional view of the piezoelectric actuator, and FIG. 1B is a sectional view showing a state in which the piezoelectric actuator is joined to a restraining member. , (C) is a plan view of (b).

図1(a)によれば、本発明の圧電アクチュエータ1は、振動板2上に、共通電極5、圧電体層4および表面電極6がこの順に積層されている。この表面電極6は、表面電極6が圧電体層4の表面に2次元的に複数配列されており(図1(c)参照)、高密度で配置するためには、圧電体層4の上に等間隔で配置していることが好ましい。   As shown in FIG. 1A, in the piezoelectric actuator 1 of the present invention, a common electrode 5, a piezoelectric layer 4, and a surface electrode 6 are laminated in this order on a diaphragm 2. The surface electrode 6 has a plurality of surface electrodes 6 arranged two-dimensionally on the surface of the piezoelectric layer 4 (see FIG. 1 (c)). It is preferable to arrange them at regular intervals.

また、本発明のアクチュエータ1は、図1(b)、(c)に示したように、溝3aと隔壁3bとからなる拘束部材3に接合されている場合、表面電極6と、圧電体層4の表面電極6に対向する部位(以下、単に圧電体層4と言う)と、共通電極5の表面電極6と対向する部位(以下、単に共通電極5と言う)と、振動板2の表面電極6と対向する部位(以下、単に振動板2と言う)と、により変位領域7aが形成される。   Further, as shown in FIGS. 1B and 1C, the actuator 1 of the present invention has a surface electrode 6 and a piezoelectric layer when it is joined to a restraining member 3 composed of a groove 3a and a partition wall 3b. 4 facing the surface electrode 6 (hereinafter simply referred to as the piezoelectric layer 4), the portion facing the surface electrode 6 of the common electrode 5 (hereinafter simply referred to as the common electrode 5), and the surface of the diaphragm 2. A displacement region 7a is formed by a portion facing the electrode 6 (hereinafter simply referred to as the diaphragm 2).

また、変位領域7aの周囲には、変位領域7aを取り囲むように非変位領域7bが設けられている。即ち、同一平面に、複数の変位領域7aと、該変位領域7aを取り囲むように設けられた非変位領域7bとによって圧電アクチュエータが構成されている。なお、表面電極の大きさは、溝3aの圧電アクチュエータ側の開口部の大きさと略同一にすることができる。   A non-displacement region 7b is provided around the displacement region 7a so as to surround the displacement region 7a. That is, a piezoelectric actuator is constituted by a plurality of displacement regions 7a and a non-displacement region 7b provided so as to surround the displacement region 7a on the same plane. The size of the surface electrode can be made substantially the same as the size of the opening on the piezoelectric actuator side of the groove 3a.

このような構成を採用することで、特定の変位素子7aを構成する表面電極6と共通電極5の間に電圧を印加すると、それに対応する変位領域7aが拘束部材の溝3a側に凸に変形するように変位をするが、一方、非変位領域7bは、隔壁3bに固定され、変位することがない。   By adopting such a configuration, when a voltage is applied between the surface electrode 6 and the common electrode 5 constituting the specific displacement element 7a, the corresponding displacement region 7a is deformed so as to protrude toward the groove 3a side of the restraining member. On the other hand, the non-displacement region 7b is fixed to the partition wall 3b and is not displaced.

変位する変位領域7aを構成する圧電体層4は、変位領域7aと非変位領域7bとの境界部部に加わる応力が大きいため、従来の圧電アクチュエータには、変形を繰り返すうちにクラックが発生することがあった。その原因を調査したところ、圧電体層4の圧電セラミックスを構成する主結晶粒子の二面間粒界に存在するガラス相に起因しており、本発明者は、クラックの発生が二面間粒界に含まれるガラス相の疲労破壊であると推察した。   Since the piezoelectric layer 4 constituting the displacement region 7a to be displaced has a large stress applied to the boundary portion between the displacement region 7a and the non-displacement region 7b, a crack is generated in the conventional piezoelectric actuator during repeated deformation. There was a thing. As a result of investigating the cause, it is caused by the glass phase present at the grain boundary between the main crystal grains constituting the piezoelectric ceramic of the piezoelectric layer 4. It was inferred that this was fatigue failure of the glass phase contained in the boundary.

そこで、本発明によれば、主結晶粒子の二面間粒界が実質的にガラス相を含まないことが重要である。二面間粒界にガラス相が析出しないように、例えば組成を調整することができる。焼結助剤が必要な場合、その焼結助剤を副結晶粒子として析出させることが好ましい。このような副結晶粒子は、主結晶粒子間の結合には関与しないため、副結晶粒子量が極端に多くなければ、存在していても良い。   Therefore, according to the present invention, it is important that the intergranular grain boundary of the main crystal grain does not substantially contain a glass phase. For example, the composition can be adjusted so that the glass phase does not precipitate at the grain boundaries between the two faces. When a sintering aid is required, it is preferable to deposit the sintering aid as sub-crystal particles. Such secondary crystal particles do not participate in the bond between the main crystal particles, and therefore may exist if the amount of the secondary crystal particles is not extremely large.

なお、副結晶粒子が析出していても主結晶粒子の二面間粒界にある場合があり、その場合にはクラックが発生する危険性があるため、副結晶粒子を作製することが重要ではなく、二面間粒界のガラス相を除去することが重要であることは言うまでもない。   In addition, even if the sub-crystal particles are precipitated, there are cases where they are at the grain boundary between the two faces of the main crystal particles, and in that case, there is a risk of cracking, so it is important to prepare the sub-crystal particles. Needless to say, it is important to remove the glass phase at the grain boundary between the two faces.

また、主結晶粒子の三重点に焼結助剤を析出させることも可能である。この三重点も主結晶粒子同士の結合に主たる影響のない部位であり、三重点に結晶やガラス相を析出させることによって、変位を繰り返してもクラックの発生を抑制することができる。従って、ガラス相を三重点に集中させ、二面間粒界のガラス相を低減し、ガラス相を起点としたクラック発生を防止することが重要である。   It is also possible to deposit a sintering aid at the triple point of the main crystal particles. This triple point is also a site that does not have a main influence on the bonding between the main crystal grains, and by causing a crystal or glass phase to precipitate at the triple point, the occurrence of cracks can be suppressed even if the displacement is repeated. Therefore, it is important to concentrate the glass phase at the triple point, reduce the glass phase at the grain boundary between the two faces, and prevent the generation of cracks starting from the glass phase.

なお、本発明でいう「実質的にガラス相が存在していない」とは、透過型電子顕微鏡(TEM)による観察で、二面間粒界の幅が12nm以下、特に10nm以下、更には8anm以下の厚みであり、そこにガラス相を検出できない程度のものを指す。   In the present invention, “substantially no glass phase” means that the width of a grain boundary between two faces is 12 nm or less, particularly 10 nm or less, more preferably 8 nm, as observed with a transmission electron microscope (TEM). It is the following thickness, and the thing of the grade which cannot detect a glass phase there is pointed out.

また、上記ガラス相は、例えばSi、Alなどの元素を含む酸化物から構成される。また、上記ガラス相には微結晶粒が含有されていることもあり、この微結晶粒には主にAlが含有されている。   Moreover, the said glass phase is comprised from the oxide containing elements, such as Si and Al, for example. The glass phase may contain fine crystal grains, and the fine crystal grains mainly contain Al.

また、鉛(Pb)成分は、主結晶成分がPbを含むため、焼結過程で主結晶の圧電セラミック粒子から液相中にPbが溶け出し、冷却中に三重点に偏析して三重点粒界相になるため、析出速度を制御することもガラス相の制御に有効である。   In addition, the lead (Pb) component contains Pb as the main crystal component, so that Pb dissolves in the liquid phase from the piezoelectric ceramic particles of the main crystal during the sintering process, and segregates to the triple point during cooling. Since it becomes a field phase, controlling the precipitation rate is also effective for controlling the glass phase.

圧電体層4に含まれるガラス成分が多いと二面間粒界に析出しやすいため、その含有量を低減するのが良い。ガラス成分の含有量は酸化物換算で、合計が50〜1000ppm、特に100〜7a00ppm、更には150〜600ppmであることが望ましい。これにより、焼結性を高く維持したまま、三重点粒界にガラス相を析出させ、且つ余剰のガラス相を二面間粒界相に析出するのを容易に防止することが容易になる。なお、ガラス成分とは、Al、Siの酸化物を例示できる。   If the piezoelectric layer 4 contains a large amount of glass component, it tends to precipitate at the grain boundary between the two faces, so the content is preferably reduced. It is desirable that the content of the glass component is 50 to 1000 ppm, particularly 100 to 7a00 ppm, more preferably 150 to 600 ppm in terms of oxide. Thereby, it becomes easy to easily prevent the glass phase from precipitating at the triple-point grain boundary and precipitating the excess glass phase to the interfacial grain boundary phase while maintaining high sinterability. Examples of the glass component include Al and Si oxides.

圧電体層4や振動板2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。   For the piezoelectric layer 4 and the diaphragm 2, ceramics exhibiting piezoelectricity can be used. Specifically, a Bi layer compound, a tungsten bronze structure material, a perovskite structure compound of an Nb acid alkali compound, lead magnesium niobate (PMN) System), lead nickel niobate (PNN system), lead zirconate titanate (PZT) containing Pb, lead titanate and the like.

これらのうち、特に、少なくとも鉛(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体層4が得られる。   Of these, a perovskite type compound containing at least lead (Pb) is particularly preferable. For example, lead magnesium niobate (PMN), nickel niobate (PNN), lead zirconate titanate (PZT) containing Pb, lead titanate and the like are preferable. With such a composition, the piezoelectric layer 4 having a high piezoelectric constant can be obtained.

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Ti及びZrを含有する結晶であるPbZrTiO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(Zn1/3Sb2/3)O及びPb(Ni1/2Te1/2)Oの固溶体であっても良い。 In particular, as an example of the perovskite crystal, PbZrTiO 3 which is a crystal containing Pb as an A site constituent element and Ti and Zr as B site constituent elements can be preferably used. In addition, other oxides may be mixed, and as a subcomponent, other elements may be substituted at the A site and / or B site as long as the characteristics are not adversely affected. For example, Zn, Sb, Ni, and Te may be added as accessory components, and a solid solution of Pb (Zn 1/3 Sb 2/3 ) O 3 and Pb (Ni 1/2 Te 1/2 ) O 3 may be used. .

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。   According to the present invention, it is desirable to further contain an alkaline earth element as the A site constituent element in the perovskite crystal. Examples of alkaline earth elements include Ba, Sr, and Ca, and Ba and Sr are particularly preferable because high displacement can be obtained. As a result, the dielectric constant is improved, and as a result, a higher piezoelectric constant can be exhibited.

具体的には、Pb1−x―ySrBa(Zn1/3Sb2/3(Ni1/2Te1/2Zr1−a−b−cTi+α質量%Pb1/2NbO(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。 Specifically, Pb 1-x-y Sr x Ba y (Zn 1/3 Sb 2/3) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr 1-a-b-c Ti c O 3 + α Mass% Pb 1/2 NbO 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 to 1.0).

本発明の圧電アクチュエータの表面が圧電体層4により構成されている場合、圧電体層4の結晶粒径が1〜3μm、特に1.5〜2.5μmであることが好ましい。このような結晶粒径にすることにより、結晶粒子間の凹み先端のRを小さくし、変位素子として繰り返し駆動した場合のマイクロクラックの発生及び/又はマイクロクラックの進展をより効果的に抑制することが可能になるとともに、圧電振動が大きい優れた圧電特性、特により高い圧電定数を得ることが容易となる。   When the surface of the piezoelectric actuator of the present invention is constituted by the piezoelectric layer 4, the crystal grain size of the piezoelectric layer 4 is preferably 1 to 3 μm, particularly preferably 1.5 to 2.5 μm. By making such a crystal grain size, R at the tip of the dent between crystal grains is reduced, and the occurrence of microcracks and / or the development of microcracks when driven repeatedly as a displacement element is more effectively suppressed. In addition, it becomes easy to obtain excellent piezoelectric characteristics with a large piezoelectric vibration, particularly a higher piezoelectric constant.

共通電極5、表面電極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。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、0.1〜5μm、特に0.2〜3μm、更には0.3〜1μm程度が好ましい。   The material of the common electrode 5 and the surface electrode 6 may be any material as long as it has conductivity, and Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Al, and alloys thereof are used. Further, the thicknesses of the electrodes 5 and 6 must be conductive and do not hinder the displacement, and are 0.1 to 5 μm, particularly 0.2 to 3 μm, and further about 0.3 to 1 μm. Is preferred.

以上のような構成を有する圧電積層体は、低電圧で大きな変位を得るとともに、繰り返し振動しても特性劣化が少なく信頼性が高いという特長を有し、インクジェットプリンタ用圧電アクチュエータ、圧電共振子、及び発振器等の電子部品に好適に応用することができる。   The piezoelectric laminate having the above-described structure has features such that a large displacement is obtained at a low voltage, and there is little characteristic deterioration even when it is repeatedly vibrated, resulting in high reliability. A piezoelectric actuator for an inkjet printer, a piezoelectric resonator, And can be suitably applied to electronic components such as oscillators.

このような圧電体層を形成するためには、圧電体の組成、原料粉末粒径及びその粒径分布、原料粉末の分散状態、成形条件、及び焼成条件などが挙げられる。例えば、原料中のSiO、Al、PbO等のガラス相を形成する酸化物の含有量を制御することが好ましい。粒界三重点に保持しきれない余剰のガラス成分が発生しないように、これらのガラス相の含有量を設定することが望ましい。 In order to form such a piezoelectric layer, the composition of the piezoelectric material, the raw material powder particle size and particle size distribution, the dispersion state of the raw material powder, the molding conditions, the firing conditions, and the like can be mentioned. For example, it is preferable to control the content of an oxide that forms a glass phase such as SiO 2 , Al 2 O 3 , or PbO in the raw material. It is desirable to set the content of these glass phases so as not to generate an excessive glass component that cannot be held at the grain boundary triple point.

また、原料粉末の粒径を制御することも有力な方法である。圧電体セラミックスからなる主結晶粒子の三重点粒界は、主結晶粒子よりもサイズが小さいため、ガラス相を形成する原料粉末、例えば、SiO、Alの粒径をそれぞれ主結晶原料粉末の粒径よりも小さくすることができる。 It is also an effective method to control the particle size of the raw material powder. The triple point boundaries of the main crystal particles made of the piezoelectric ceramic are smaller in size than the main crystal particles, so that the particle size of the raw material powder that forms the glass phase, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 is set to the main crystal material. It can be made smaller than the particle size of the powder.

さらに、焼成時にガラス相は液相を形成するが、主結晶相とガラス相などの副成分との反応や粘度、表面張力等の液相の特性が焼成条件によって異なるため、焼成条件を制御してガラス相を三重点粒界に集中しやすいように制御するのが望ましい。   In addition, the glass phase forms a liquid phase during firing, but the reaction between the main crystal phase and subcomponents such as the glass phase and the properties of the liquid phase such as viscosity and surface tension vary depending on the firing conditions. Therefore, it is desirable to control the glass phase so as to easily concentrate on the triple point grain boundary.

図2は、本発明に係る圧電体層をTEMで観察したTEM像写真を模式化した図である。図2(a)において、101は圧電体セラミックスからなる主結晶粒子、102は3個の結晶粒101によって囲まれた三重点粒界102である。この三重点粒界102にはガラスが粒界相として存在している。   FIG. 2 is a schematic view of a TEM image photograph obtained by observing the piezoelectric layer according to the present invention with a TEM. In FIG. 2A, 101 is a main crystal particle made of piezoelectric ceramics, and 102 is a triple-point grain boundary 102 surrounded by three crystal grains 101. In the triple point grain boundary 102, glass exists as a grain boundary phase.

また、2つの粒子に挟まれた二面間結晶粒界103図2(b)は図1(a)における丸印の拡大図であるが、粒界相の厚みはTで示されている。TEMによる観察では、二面間結晶粒界が観察されても、そこには粒界相がなく、結晶の方位の乱れた粒界が、ある程度の厚みをもって観察されることがあるため、粒界の元素分析により、二面間粒界にガラス相がないことが重要である。   2B is an enlarged view of a circle in FIG. 1A, and the thickness of the grain boundary phase is indicated by T. FIG. In TEM observation, even if a grain boundary between two faces is observed, there is no grain boundary phase, and a grain boundary with a disordered crystal orientation may be observed with a certain thickness. According to the elemental analysis, it is important that there is no glass phase at the grain boundary between the two faces.

また、粒界相の厚みTは、粒界相を形成し難いように、12nm以下、特に10nm以下、更には8nm以下にすることが好ましい。粒界相を小さくすることによって、粒界相は三重点に拡散し、実質的に二面間粒界には粒界相がなくなる。これにより、二面間粒界が強くなり、クラックの発生を抑制する効果がある。   Further, the thickness T of the grain boundary phase is preferably 12 nm or less, particularly 10 nm or less, and more preferably 8 nm or less so that it is difficult to form the grain boundary phase. By reducing the grain boundary phase, the grain boundary phase diffuses to the triple point, and the grain boundary phase substantially disappears at the grain boundary between the two faces. Thereby, the grain boundary between two surfaces becomes strong and there is an effect of suppressing the occurrence of cracks.

本発明の液滴吐出装置は、流路部材の表面に、上記の圧電アクチュエータを設けてなることが重要である。そして、流路部材は、一方の表面に液体吐出ノズルを有し、他の表面に圧電アクチュエータの搭載部を有し、内部に液体流路を有するものであることを特徴とする。   In the droplet discharge device of the present invention, it is important that the piezoelectric actuator is provided on the surface of the flow path member. The channel member has a liquid discharge nozzle on one surface, a piezoelectric actuator mounting portion on the other surface, and a liquid channel inside.

例えば、図3に示した加圧室部材を拘束部材として用いることができる。即ち、圧電アクチュエータ21が、加圧室部材23の上に設けられた構造を有する。加圧室部材23は、複数の液体加圧室23aが隔壁23bによって仕切られ、液体加圧室23aは圧電アクチュエータ21に当接するように並設されている。   For example, the pressurizing chamber member shown in FIG. 3 can be used as the restraining member. That is, the piezoelectric actuator 21 has a structure provided on the pressurizing chamber member 23. In the pressurizing chamber member 23, a plurality of liquid pressurizing chambers 23 a are partitioned by partition walls 23 b, and the liquid pressurizing chambers 23 a are arranged side by side so as to contact the piezoelectric actuator 21.

圧電アクチュエータ21は、共通電極の役割を兼ねた導電性の振動板25上に圧電セラミック層24が設けられ、圧電セラミック層24の上に表面電極26を設けられている。表面電極26は、図3(b)に示したように、圧電セラミック層24の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部27が形成されたものである。なお、この圧電アクチュエータ21は、インク加圧室23aの直上に表面電極26が位置するようにして流路部材23上に配置している。   In the piezoelectric actuator 21, a piezoelectric ceramic layer 24 is provided on a conductive diaphragm 25 that also serves as a common electrode, and a surface electrode 26 is provided on the piezoelectric ceramic layer 24. As shown in FIG. 3B, a plurality of the surface electrodes 26 are arranged on the surface of the piezoelectric ceramic layer 24, thereby forming a plurality of piezoelectric displacement portions 27. The piezoelectric actuator 21 is disposed on the flow path member 23 so that the surface electrode 26 is positioned immediately above the ink pressurizing chamber 23a.

上記のような印刷ヘッドは、共通電極25と所定の表面電極26との間に電圧を印加して該表面電極26直下の圧電セラミック層24を変位させることにより、インク加圧室23a内のインクを加圧して、流路部材23の底面に開口した液体噴出口28より液滴を噴出することができる。   The print head as described above applies a voltage between the common electrode 25 and the predetermined surface electrode 26 to displace the piezoelectric ceramic layer 24 immediately below the surface electrode 26, thereby causing ink in the ink pressurizing chamber 23 a to move. The liquid droplets can be ejected from the liquid ejection port 28 opened in the bottom surface of the flow path member 23.

即ち、アクチュエータ21の変位領域27aが変位すると、このアクチュエータ27aに対応して設けられたノズル孔28から液滴が噴出する。また、別のアクチュエータ27aが変位すると、この別のアクチュエータに対応して設けられたノズル孔28から液滴が噴出するようになっている。このように、各ノズル孔28から噴出される液滴は、ノズル孔28毎に独立して制御されており、所望の部位に、所望の時間に液滴を噴出することができる。   That is, when the displacement region 27a of the actuator 21 is displaced, a droplet is ejected from the nozzle hole 28 provided corresponding to the actuator 27a. Further, when another actuator 27a is displaced, a droplet is ejected from a nozzle hole 28 provided corresponding to this other actuator. As described above, the droplets ejected from each nozzle hole 28 are independently controlled for each nozzle hole 28, and the droplets can be ejected to a desired portion at a desired time.

このような構成を採用することにより、空間の特定の微小領域に所望の量の液滴を噴出することができ、インクジェット印刷ヘッドに応用すれば、高精密・高精彩な印刷が可能となる。   By adopting such a configuration, a desired amount of liquid droplets can be ejected to a specific minute region of the space, and if applied to an ink jet print head, high-precision and high-definition printing becomes possible.

本発明の液滴噴出装置は、上記の流路部材を使用しているため、流路内に大きな肉盛りの形成を防止しているため、液滴の進行方向や、液滴量がばらつくことなく、均一な液体噴出を実現でき、特に、印刷ヘッドと、印刷ヘッドにインクを供給する機構と、印刷ヘッドのノズル孔から噴出されるインクを定着される紙、布等の媒体を特定の速度で送り出す機構とを備えたインクジェット方式の印刷機に応用した場合、精彩で、美しい印刷状態を得ることができる。   Since the liquid droplet ejection device of the present invention uses the above-described flow path member, the formation of a large build-up in the flow path is prevented, so that the traveling direction of the liquid droplets and the amount of liquid droplets vary. In particular, a uniform liquid ejection can be achieved, and in particular, a print head, a mechanism for supplying ink to the print head, and a medium such as paper and cloth to which the ink ejected from the nozzle holes of the print head is fixed are set at a specific speed. When applied to an ink jet printer equipped with a mechanism for feeding out, a beautiful and beautiful printing state can be obtained.

複数の表面電極26は、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続されている。各表面電極26に対応する圧電変位素子27は、共通電極25と表面電極26との間に電圧が印加されることにより変位領域27aが変位する。このように、表面に複数の圧電変位素子27を配置することにより、微細に分割された空間の特定の位置にのみ液滴を吐出することができ、印刷ヘッドに用いれば、印刷用紙の所定の小さなドットに好みの色調を有するインクを被弾させることができる。   The plurality of surface electrodes 26 are independently connected to an external electronic control circuit. In the piezoelectric displacement element 27 corresponding to each surface electrode 26, the displacement region 27 a is displaced by applying a voltage between the common electrode 25 and the surface electrode 26. As described above, by disposing a plurality of piezoelectric displacement elements 27 on the surface, it is possible to discharge droplets only at specific positions in a finely divided space. Ink having a desired color tone can be applied to small dots.

特に、本発明の液滴噴出装置は、印刷ヘッドと、印刷ヘッドにインクを供給するインクタンクと、記録紙に印刷するための記録紙搬送機構とを備えたプリンタや印刷機等の電子機器として好適に用いられ、プリンタの場合には、高速・高精度・高精彩な印刷を容易に実現し、信頼性の高い製品を提供することができる。   In particular, the liquid droplet ejection device of the present invention is an electronic device such as a printer or a printing machine including a print head, an ink tank that supplies ink to the print head, and a recording paper transport mechanism for printing on recording paper. In the case of a printer, it is possible to easily realize high-speed, high-precision, and high-quality printing and provide a highly reliable product.

まず、原料として、Si、Al含有量が100ppm以下の高純度のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を含有する圧電体粉末を準備した。この原料粉末を成形してグリーンシートを作製した。また、Ag−Pdを主成分とする内部電極用ペーストを作製し、これを先に得られた複数のグリーンシートのうち、一部について、表面に厚さ4μmの電極パターンを印刷して、内部電極を形成した。   First, a piezoelectric powder containing high purity lead zirconate titanate (PZT) having a Si and Al content of 100 ppm or less was prepared as a raw material. This raw material powder was molded to produce a green sheet. Also, an internal electrode paste containing Ag—Pd as a main component was prepared, and an electrode pattern having a thickness of 4 μm was printed on the surface of a part of the plurality of green sheets obtained previously. An electrode was formed.

グリーンシートと、表面に内部電極を形成したグリーンシートを積層し、得られた積層成形体を焼成した。   A green sheet and a green sheet having an internal electrode formed on the surface were laminated, and the obtained laminated molded body was fired.

原料粉末として高純度のPb、ZrO、TiO、BaCO、ZnO、SrCO、Sb、NiO、TeOの各原料粉末を、焼結体がPb1−x―ySrBa(Zn1/3Sb2/3(Ni1/2Te1/2Zr1−a−b−cTi(x=0.04、y=0.02、a=0.075、b=0.005、c=0.4.2)で表される組成となるように、所定量秤量し、さらに、この組成に対して表1に示す量比の副成分を添加した。 Each raw material powder of high-purity Pb 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , BaCO 3 , ZnO, SrCO 3 , Sb 2 O 3 , NiO, TeO 2 is used as the raw material powder, and the sintered body is Pb 1-xy sr x Ba y (Zn 1/3 Sb 2/3) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr 1-a-b-c Ti c O 3 (x = 0.04, y = 0.02 , A = 0.075, b = 0.005, c = 0.4.2), a predetermined amount is weighed, and the quantitative ratio shown in Table 1 with respect to this composition A minor component was added.

上記の調製された粉体を、ボールミルにより湿式で20時間混合し、しかる後に、この混合物を脱水、乾燥した。その後、800℃で3時間仮焼し、得られた仮焼物を再びボールミルで湿式粉砕した。   The above prepared powder was wet-mixed for 20 hours by a ball mill, and then the mixture was dehydrated and dried. Thereafter, the mixture was calcined at 800 ° C. for 3 hours, and the obtained calcined product was wet pulverized again with a ball mill.

その後、この粉砕物に有機バインダー、水、分散剤と可塑剤とを混合し、スラリーを作製し、薄いグリーンシートを成形するために一般的に用いられるロールコーター法により、焼成後の厚さが表に示すサイズになるように予め収縮率を考慮したグリーンシートを作製した。   Thereafter, an organic binder, water, a dispersing agent and a plasticizer are mixed into the pulverized product to prepare a slurry, and the thickness after firing is determined by a roll coater method generally used for forming a thin green sheet. A green sheet was prepared in consideration of the shrinkage rate in advance so as to have the size shown in the table.

この後、金型を用いて上記グリーンシートを短形状に打ち抜き、複数枚の短形状シートを用意した。次に、この短形状シート面に、共通電極及び個別電極をAg−Pdからなる電極用ペーストを用いてスクリーン印刷にて電極をグリーンシート表面に塗布した。   Thereafter, the green sheet was punched into a short shape using a mold to prepare a plurality of short sheets. Next, the electrode was apply | coated to the green sheet surface by screen printing on this short-shaped sheet | seat surface using the electrode paste which consists of Ag-Pd for a common electrode and an individual electrode.

次いで、電極を塗布したグリーンシート及び電極を塗布していないグリーンシートを、図1に示す構造になるように、即ち基板の表面に複数の変位素子が形成されるように重ね、熱を加えて圧着し、積層アクチュエータ成形体を製作した。   Next, the green sheet coated with the electrode and the green sheet coated with no electrode are stacked so that the structure shown in FIG. 1 is formed, that is, a plurality of displacement elements are formed on the surface of the substrate, and heat is applied. The laminated actuator molded body was manufactured by pressure bonding.

最後に、この成形体を、970℃で3時間の焼成を行い、アクチュエータを得た。   Finally, this compact was fired at 970 ° C. for 3 hours to obtain an actuator.

次に、アクチュエータをインクジェット用の印刷ヘッドに適応した。粒界相はTEM(20万倍)で観察し、粒界相を元素分析で測定し、電子線回折像から結晶相とガラス相の判断をした。   Next, the actuator was applied to an inkjet print head. The grain boundary phase was observed with TEM (200,000 times), the grain boundary phase was measured by elemental analysis, and the crystal phase and the glass phase were judged from the electron diffraction pattern.

また、液体噴出装置に色素水を供給し、アクチュエータを25V、2kHzで駆動し、50時間毎の連続駆動を行い、駆動停止毎にクラックの有無を観察した。結果を表1に示した。

Figure 2005159042
Further, pigment water was supplied to the liquid jetting device, the actuator was driven at 25 V, 2 kHz, continuous driving was performed every 50 hours, and the presence or absence of cracks was observed every time driving was stopped. The results are shown in Table 1.
Figure 2005159042

本発明の試料No.1〜5及び7〜9は、二面間粒界にガラス相が実質的にないため、耐久時間が100時間以上とクラックの発生を抑制できた。   Sample No. of the present invention. Since 1-5 and 7-9 have substantially no glass phase at the grain boundary between the two faces, the durability time was 100 hours or more and the generation of cracks could be suppressed.

一方、二面間粒界にガラス相があり、本発明の範囲外の試料No.6は、800時間でクラックが発生していた。   On the other hand, there is a glass phase at the grain boundary between the two faces, and sample No. In No. 6, cracks occurred in 800 hours.

印刷に用いるインクジェットプリンタに液体噴出装置を好適に使用することができる。特に、本発明の液体流路部材は、加熱(気泡発生)方式、圧電アクチュエータ方式を問わず、全てのインクジェット印刷ヘッドに適応することができる。さらに、工業用印刷機への応用も期待できる。   A liquid ejecting apparatus can be suitably used for an ink jet printer used for printing. In particular, the liquid flow path member of the present invention can be applied to all ink jet print heads regardless of the heating (bubble generation) method or the piezoelectric actuator method. Furthermore, application to industrial printing machines can also be expected.

本発明の圧電アクチュエータを示すもので(a)は概略断面図、(b)は拘束部材に接合した状態の圧電アクチュエータの概略断面図、(c)は平面図である。1A and 1B show a piezoelectric actuator of the present invention, in which FIG. 1A is a schematic cross-sectional view, FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric actuator joined to a restraining member, and FIG. 本発明の圧電アクチュエータを構成する圧電体の結晶構造を示すもので、(a)は模式図、(b)は(a)の一部分の拡大図である。The crystal structure of the piezoelectric material which comprises the piezoelectric actuator of this invention is shown, (a) is a schematic diagram, (b) is an enlarged view of a part of (a). 液体吐出装置の構造を示すもので、(a)は概略断面図、(b)は平面図である。1 shows a structure of a liquid ejection device, where (a) is a schematic cross-sectional view and (b) is a plan view.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・圧電アクチュエータ
2・・・振動基板
3・・・拘束部材
3a・・・溝
3b・・・隔壁
4・・・圧電体層
5・・・共通電極
6・・・表面電極
7・・・圧電変位素子
7a・・・変位領域
7b・・・非変位領域
101・・・主結晶粒子
102・・・三重点粒界
103・・・二面間結晶粒界
T・・・二面間結晶粒界の厚み
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric actuator 2 ... Vibration board 3 ... Restraining member 3a ... Groove 3b ... Partition 4 ... Piezoelectric layer 5 ... Common electrode 6 ... Surface electrode 7 ... Piezoelectric displacement element 7a ... displacement region 7b ... non-displacement region 101 ... main crystal grain 102 ... triple grain boundary 103 ... between crystal grain boundary T ... between crystal Grain boundary thickness

Claims (6)

同一平面に、複数の変位領域と、該変位領域を取り囲むように設けられた非変位領域とによって構成された圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体層の主結晶の二面間粒界が実質的にガラス相を含まないことを特徴とする圧電アクチュエータ。 In the piezoelectric actuator configured by a plurality of displacement regions and a non-displacement region provided so as to surround the displacement regions on the same plane, the grain boundary between the two faces of the main crystal of the piezoelectric layer is substantially glass. A piezoelectric actuator characterized by not containing a phase. 前記振動基板上に、共通電極、圧電体層及び表面電極がこの順に積層され、該表面電極が前記圧電体層の表面に2次元的に複数配列してなり、変位領域が前記圧電体層と、前記表面電極と、前記共通電極の該表面電極と対向する部位と、前記振動板の該表面電極と対向する部位と、により形成されてな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。 A common electrode, a piezoelectric layer, and a surface electrode are laminated in this order on the vibration substrate. A plurality of the surface electrodes are two-dimensionally arranged on the surface of the piezoelectric layer, and a displacement region is formed with the piezoelectric layer. 2. The piezoelectric actuator according to claim 1, comprising: the surface electrode; a portion of the common electrode facing the surface electrode; and a portion of the diaphragm facing the surface electrode. 前記圧電体が、鉛を含むペロブスカイト型化合物からな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。 3. The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the piezoelectric body is made of a perovskite type compound containing lead. 前記圧電体が、Ti及び/又はZrを含む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。 4. The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the piezoelectric body contains Ti and / or Zr. 前記三重点粒界のガラス相が、Siを含む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。 The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the glass phase of the triple point grain boundary contains Si. 一方の表面に液体吐出ノズルを有し、他の表面に圧電アクチュエータの搭載部を有し、内部に液体流路を有する流路部材の表面に、請求項1〜5のいずれかに記載の圧電アクチュエータを設けてなることを特徴とする液体吐出装置。

The piezoelectric device according to any one of claims 1 to 5, wherein a liquid discharge nozzle is provided on one surface, a mounting portion for a piezoelectric actuator is provided on the other surface, and the surface of a flow path member having a liquid flow path therein. A liquid ejecting apparatus comprising an actuator.

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