JP2006174618A - 圧電アクチュエータ及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電アクチュエータの繰り返し駆動に対して変位劣化の少ない圧電アクチュエータ及び液体吐出装置を提供する。
【解決手段】振動板の上に、共通電極、圧電セラミック層をこの順に形成し、前記圧電セラミック層の表面に複数の駆動電極をマトリックス状に配列してなるとともに、該駆動電極と、前記共通電極の前記駆動電極に対向する対向部位と、前記駆動電極及び前記対向部位で挟持される前記圧電セラミック層の挟持領域と、で形成される変位領域の分極方向が、変位領域間に形成された非変位領域の分極方向と異なることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電積層体、圧電アクチュエータ、印刷ヘッド及び印刷機に関し、特に、広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した圧電アクチュエータと、燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ用印刷ヘッド、圧電ポンプ等に好適に用いることができる液体吐出装置に関する。

近年、パーソナルコンピューターの普及やマルチメディアの発達に伴って、情報を記録媒体に出力する記録装置として、インクジェット方式の記録装置の利用が急速に拡大している。

かかるインクジェット方式の記録装置には、印刷ヘッドが搭載されており、この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒーターを備え、ヒーターによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、インク流として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔よりインク流として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。

圧電方式を利用したインクジェット記録装置に用いられる印刷ヘッドは、例えば図２（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）。圧電流路部材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。

圧電アクチュエータ２１は、共通電極２４を表面に形成した振動板２２上に圧電セラミック層２５を設け、圧電セラミック層２５の上に駆動電極２６を設けてなる。換言すれば、駆動電極２６と、共通電極２４の駆動電極２６に対向する対向部位２４ａと、駆動電極２６及び対向部位２４ａで挟持される圧電セラミック層２５の挟持領域２５ａと、で形成される変位素子２７ａ、２７ｃを、振動板２２の上に複数配設してなるものである。

駆動電極２６は、図２（ｂ）に示したように、圧電セラミック層２５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。通常は、マトリックス配置をするように駆動電極２６が形成される。この圧電アクチュエータ２１は、インク加圧室２３ａの直上に駆動電極２６が位置するようにして流路部材２３上に配置している。

このような印刷ヘッドは、共通電極２４と所定の駆動電極２６との間に電圧を印加して駆動電極２６直下の圧電セラミック層２５の挟持領域２５ａを変位させることにより、変位領域２７ａが対応するインク加圧室２３ａの方向に凸になるように変形し、インク加圧室２３ａ内のインクを加圧して、流路部材２３の底面に開口したインク吐出口２８より液滴を吐出することができる。

このような場合、圧電セラミック層２５の全てを特定の方向に分極するか、又は、共通電極２４と駆動電極２６に電圧を印加して、これらの電極に挟持された圧電セラミック層２５の挟持領域２５ａだけを特定の方向に分極することが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

例えば、図２（ｃ）に示したように、共通電極２４は、駆動電極２６に対向とする対向部位２４ａと、それ以外の非対向部位２４ｂとで構成され、圧電セラミック層２５は、対向部位２４ａと駆動電極２６とで挟持される挟持領域２５ａ（破線内）と非挟持領域２５ｂ（破線外）とで構成される。また、変位素子２７は、駆動電極２６と、対向部位２４ａと、挟持領域２５ａと、で構成され、共通電極２４と駆動電極２６との間に駆動電圧を印加することによって変位する変位領域２７ａ（波線内）が、変位に関与しない非変位領域２７ｂによって囲まれ、且つ変位領域２７ａと隣接する変位領域２７ｃとの間隙を非変位領域２７ｂが埋設するように設けられている。

分極処理は、共通電極２４と駆動電極２６との間に分極電圧を印加することによって行われ、この処理によって、変位領域２７ａ及び変位領域２７ｃの挟持領域２５ａ、２５ｃは、矢印で示した厚み方向に分極し、非変位領域２７ｂの非挟持部位２５ｂは、分極されない。

そして、ユニモルフ型変形をともなう場合には、駆動電圧が共通電極２４と駆動電極２６との間に印加されると、挟持領域２５ａは、その厚み方向（矢印と同じ図面の縦方向）に伸長すると、圧電横効果により積層方向と垂直な面方向（図面の横方向）に収縮しようとする。非変位領域及び振動板は変形しないため、圧電アクチュエータ２１は、変位領域２７ａが液体加圧室２３ａ側に凸になるように変形し、液体加圧室２３ａに充填された液体を加圧し、液体吐出口から液滴を吐出させることができる。

なお、図２に設けられた波線は、便宜のために設けたものである。
特開２００３−１６５２１４号公報 特開２００１−１０５５９２号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の圧電アクチュエータ２１では、上述したように変位領域２７ａの圧電セラミック層２５ａが面方向に収縮する動作と、収縮した状態から元の状態に復帰する動作とを、所望の時間をおいて繰り返す（変位素子の変位を連続して行う）うちに、徐々に変位量が低下して行き、最悪の場合には液滴が吐出しなくなるという問題があった。

特に、このような圧電アクチュエータ２１をインクジェットプリンタの印刷ヘッドとして用いた場合、圧電アクチュエータ２１の変位量が低下するにつれて、インクの吐出速度が低下し、文字の正確な印字や画像の精細な描写が不可能となり、或いは、目的とする色調を再現することができなくなるという問題があった。

そこで、本発明は、駆変位素子を繰り返し変位させても変位量の低下が少な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を目的とするものである。

本発明の圧電アクチュエータは、基板の上に、一対の電極で圧電体を挟持してなる変位素子をマトリックス状に配置せしめ、一対の電極に電圧を印加することによって前記変位素子を変位させる前記圧電アクチュエータであって、該変位素子の変位によって変形する変位領域間に非変位領域を設け、該非変位領域の圧電セラミック層の分極方向を前記変位領域の圧電セラミック層の分極方向と異なるように分極処理を施してなることを特徴とする。

特に、振動基板の上に、共通電極、圧電セラミック層をこの順に形成し、さらに該圧電セラミック層の表面に複数の駆動電極を形成することによって、該駆動電極と、前記共通電極の前記駆動電極に対向する対向部位と、前記駆動電極及び前記対向部位で挟持される前記圧電セラミック層の挟持領域と、で形成される変位素子を、前記振動板の上に複数配設してなることが好ましい。これにより、ユニモルフ構造で、微細な領域を変位させることが容易になる。また、複数の駆動素子に個別に駆動信号を入力することで微細な領域の変位を個別に制御することが可能である。

前記振動板が、圧電体層と内部電極層との積層体であることが好ましい。これにより、基板の分極も簡単に行うことができる。また、厚みが１００μｍ以下の構造体の強度保持に対しても有効に働く。

前記変位領域の分極方向と、前記非変位領域の分極方向とが、略反対であり、前記前厚みと垂直な方向に対して、記変位領域が伸長する際に前記非変位領域が収縮し、前記変位領域が収縮する際に前記非変位領域が伸長することが好ましい。これにより、変位領域に掛かる残留応力を軽減させ、変位させる原動力となる分域の回転を阻害することなく、駆動サイクルが増加しても変位の低下が少なくすることができる。

また、本発明の液体吐出装置は、複数の液体加圧室と、該複数の液体加圧室にそれぞれ連通する液滴吐出孔と、前記液体加圧室に液体を供給するための液体流路とを具備する流路部材の上に、請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、前記液体加圧室の壁面の一部が前記圧電アクチュエータで形成されるように、且つ前記液体加圧室と前記駆動電極との位置が揃うように取り付け、前記圧電アクチュエータの変位領域が変位することによって前記液体加圧室の容積を増減させ、該液体加圧室に充填された液体を加圧し、前記液滴吐出孔から液滴を吐出させることを特徴とする。これにより、駆動劣化の少ない圧電アクチュエータの変位により安定した液体の供給ができる。

特に、前記液体がインクであって、インクジェットヘッドとして用いられることが好ましい。これにより、インク吐出を繰り返してもインク供給量・供給速度が安定することができる。

本発明は、変位領域と非変位領域との分極方向を変えることによって、変位領域が変位した際に、当該変位領域近傍の非変位領域が膨張する方向に変形するため、変位領域と非変位領域との境界に発生する残留応力が小さくなり、その結果、変位領域の分域回転が駆動サイクルの増加に伴い抑制されることを防止するとの知見に基づくものである。

即ち、圧電セラミック層の非挟持領域を分極し、その分極方向を挟持領域の分極方向と異なるようにすることによって、変位領域に分極方向と同一方向の駆動信号を入力した際、電圧印加により変位領域は収縮する。この際、表面電極の近傍には電気力線がもれているため表面電極周辺も圧電振動が発生する。このとき非駆動部分の分極方向は駆動部分と反対であるため、駆動部分と反対に膨張する。この作用により、従来の分極であれば表面電極周辺に発生する引っ張り応力が抑制されることになる。これは、従来引っ張り応力によって発生していた表面電極周辺の非駆動部の伸び（分域回転に起因する磁器変形）が抑制されることを意味する。その結果、駆動部分への圧縮応力が緩和され、分域回転の抑制が緩和される。その結果、駆動サイクルの増加による変位低下が抑制される。

例えば、圧電セラミック層をバネでモデル化すると、従来は、挟持領域がバネで構成され、非挟持領域が剛体で構成されるため、バネが収縮しようとすると、剛体に発生する応力によって剛体が次第に変形し、その結果、バネの収縮・伸長の変形幅が小さくなるのに対して、本発明では非挟持領域が剛体の両端に小さいバネを具備しているため、挟持領域が収縮すると、非挟持領域の端部のバネが伸長することによって剛体に加わる応力が激減し、剛体の変形が減少するため、バネの収縮・伸長を定常状態に保つことができる。

本発明は、圧電セラミック層の一部が振動する変位素子と、その変位素子間を埋設するように形成された非変位素子とからなる圧電アクチュエータであって、変位素子の変位モードは、伸び振動、広がり振動、厚み縦振動又はそれ以外の変位モードで変位するものであって、以下にユニモルフタイプの圧電アクチュエータを用いた液体吐出装置を例として本発明を説明する。図１は本発明の圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。

図１によれば、圧電アクチュエータ１を、流路部材３の上に設けることによって液体吐出装置を構成している。

本発明の圧電アクチュエータ１は、基板２の表面に、共通電極４、圧電セラミック層５をこの順に形成し、さらに圧電セラミック層５の表面に複数の駆動電極６を形成してなり、駆動電極６と、共通電極４の駆動電極６に対向する対向部位４ａと、駆動電極６及び対向部位４ａで挟持される圧電セラミック層５の挟持領域５ａと、で変位素子７を形成する。即ち、変位素子７は、一対の電極（対向部位４ａと駆動電極６）と圧電体（挟持領域５ａ）とで構成される。

変位素子７の一対の電極間に電圧が印加されると、変位素子７と略同一の大きさの変位領域７ａと、変位領域７ａに当設する振動板とが液体加圧室に凸になるように変位する。また、電圧を解除することによってその変位を解除できる。液体吐出装置は、この変位素子の駆動を利用した物である。

図１（ｃ）によれば、変位素子７が、振動板２上にマトリックス状に配列しており、各変位素子７は対応するノズル８に連通する液体加圧室３ａの直上に配置されているため、所望の変位素子７を駆動させることによって、所望のノズルから液体を突出させることができる。

変位素子７はセラミック基板２上に複数設けられており、例えば図１（ｂ）に示したように、駆動電極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、電圧が印加された共通電極４と駆動電極６に挟持された部位の圧電セラミック層５が変位することができる。

共通電極５と、駆動電極６とは、それぞれ駆動回路（不図示）に接続され、駆動回路は、制御手段（不図示）に接続されている。そして、共通電極４と所定の駆動電極６との間に電圧を印加して駆動電極６直下の圧電セラミック層５の挟持領域５ａを変位させることにより、変位領域７ａが対応する液体加圧室３ａの方向に凸になるように変形し、液体加圧室３ａ内の容積を増減させることで、加圧室の液体を、流路部材３の底面に開口した液体吐出口８より液滴を吐出することができる。

本発明によれば、駆動電極６及び対向部位４ａとで挟持される圧電セラミック層５の挟持領域５ａと、で構成される変位領域７ａの分極方向が、変位領域７ａ間に形成された非変位領域７ｂの分極方向と異なることが重要である。

従来のように、変位領域７ａと非変位領域７ｂの分極方向が同じ場合、又は非変位領域７ｂが分極されてない場合、変位領域７ａは逆圧電効果により面方向（図１における左右方向）に伸縮振動が発生する。しかし、この際、変位領域７ａに隣接する非変位領域７ｂの境界部分Ａは圧電非活性のため、境界部分Ａに振動による残留応力が発生する。この残留応力は引っ張り応力のため圧電体である境界部分Ａを変位領域７ａ方向に伸びるように変形させる。この結果、変位領域は基板面方向から圧縮応力を受けるようになる。このため変位が低下するのである。これに対して本発明である変位領域７ａと非変位領域７ｂの分極方向が逆の場合、駆動部分が収縮している際、境界部分Ａは周辺にもれる電気力線の作用により変位部と反対に伸びる。この作用により、境界部分Ａに残留応力の発生を緩和させることができ、変位領域の圧縮応力を緩和するため変位低下が抑制されるのである。

また、変位領域７ａの分極方向と、非変位領域７ｂの分極方向とが、略反対であり、厚み方向と垂直な方向に対して、記変位領域が伸長する際に前記非変位領域が収縮し、前記変位領域が収縮する際に前記非変位領域が伸長することが好ましい。これにより、境界部分Ａの残留応力が緩和され、変位低下が抑制することができる。

また、振動板が圧電体層と内部電極層との積層体であることが好ましい。これにより、厚み１００μｍ以下の積層体であっても強度を保持することができる。

本発明の液体吐出装置は、上述したように、複数の液体加圧室と、該複数の液体加圧室にそれぞれ連通する液滴吐出孔と、前記液体加圧室に液体を供給するための液体流路とを具備する流路部材の上に、上記の圧電アクチュエータを、前記液体加圧室の壁面の一部が前記圧電アクチュエータで形成されるように、且つ前記液体加圧室と前記駆動電極との位置が揃うように取り付け、前記圧電アクチュエータの変位領域が変位することによって前記液体加圧室の容積を増減させ、該液体加圧室に充填された液体を加圧し、前記液滴吐出孔から液滴を吐出させることを特徴とする。

これにより、実用的な信頼性を有し且つ、複数の変位素子が多連多列に形成されたアクチュエータを実現できる。

前記液体がインクであって、インクジェットヘッドとして用いられることが好ましい。これにより、複数の変位素子が多連多列に形成されたアクチュエータを用いることにより高速印刷が可能なインクジェットプリンタに実用的な信頼性を保持させることが実現できる。このように、本発明の圧電体は、繰り返し駆動させることによる圧電アクチュエータの変位低下を抑制し圧電アクチュエータとしてインクジェットプリンタの印刷ヘッドとして好適に用いることができる。

圧電セラミック層に用いる圧電材料をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とし、ＰＺＴを用いたスラリーを作成し、このスラリーから、成形方法としてロールコーター法を採用して、グリーンシートを作製した。

次いで、金型打ち抜きによって、１００μｍ径の貫通孔をグリーンシートに形成した。その後、Ａｇ−Ｐｄ合金を含む導体ペーストを用いたスクリーン印刷法により、各グリーンシートの表面に、共通電極となる電極パターンを形成した。

また、Ａｇ−Ｐｄ合金に対して、圧電体粉末をフィラー剤として３０体積％添加してビア導体ペーストを作製し、これをスクリーン印刷にて、グリーンシートに形成した貫通孔の内部に充填し、ビア電極を形成した。

次いで、グリーンシートを積層して、内部に共通電極及びビア電極を備えた積層成形体を作製した。その後、この積層成形体を９８０℃の温度で焼成して圧電焼結体を作製した。

この圧電焼結体の表面に、変位素子を構成する部分の共通電極に相対するように主成分Ａｕを含む導体ペーストを用いたスクリーン印刷により、図１（ｂ）のようにマトリックス状に駆動電極を形成し、しかる後に、８００℃の熱処理によって駆動電極を形成した。

次に、圧電セラミック層のほぼ全面を分極するために、圧電セラミック層の表面に駆動電極を覆うように、Ａｇを主体とする仮電極ペーストを塗布し、乾燥させて分極電極を形成した。なお、圧電セラミック層の表面に形成されたビア電極とその周囲には分極電極を形成しなかった。この全面分極を行った後に、共通電極と、分極電極との間に電圧を印加して圧電セラミック層のほぼ全面を分極し、その後、有機溶剤中で超音波洗浄して分極電極を除去した。

さらに、溝幅０．４ｍｍ、溝長さ０．４ｍｍの溝形状（開口部面積０．１６ｍｍ２）を有し、溝ピッチが０．６ｍｍで格子状にマトリックス配置された流路部材の上に、圧電アクチュエータを、開口部にそれぞれの変位素子が位置するように接着し、液体吐出装置を作製した。

そして、共通電極と、全駆動電極との間に、全面電極と逆の電圧を印加して、部分分極を行った。なお、この部分分極による分極方向は、全面分極と反対方向になった。

なお、試料Ｎｏ．６は、全面分極を行わず、部分分極だけを行って、駆動電極及び共通電極の対向部位で挟持される圧電セラミック層の挟持領域のみを分極した。また、試料Ｎｏ．７は、全面分極だけを行い、部分分極を行わなかった。

得られた液体吐出装置を用いて、変位特性を評価した。初期変位として、圧電アクチュエータを駆動させる前に、予め変位素子の初期変位量Ａを測定した。次いで、駆動電極と共通電極間にピーク電圧２５Ｖ、周波数２ＫＨｚ、デューティ８０％のパルス波を５０億サイクル印加した後で、変位素子の駆動後変位量Ｂを測定し、初期変位量Ａに対する駆動後変位量Ｂの劣化率（Ａ−Ｂ）／Ａを算出した。その結果を表１に示す。

なお、変位量の測定は、ドライバーＩＣを用いたアクチュエータ駆動回路を用いて変位素子部に駆動信号（矩形波）を入力し変位部をグラフテック社製のレーザードップラー変位形にて変位を測定して行った。結果を表１に示した。

本発明の試料Ｎｏ．１〜５は、変位量の低下率が１０％以下であり、変位劣化の少ない信頼性が高い圧電アクチュエータであった。

一方、一対の電極間の圧電セラミック層の挟持領域だけを分極した本発明の範囲外の試料Ｎｏ．６は、初期変位量は１０３ｎｍと本発明品と遜色がなかったが、５０億サイクル後の劣化率が２３％と大きく、駆動信頼性が低かった。

また、圧電セラミック層を全面同一方向に分極した試料Ｎｏ．７は、初期変位量は１０２ｎｍと本発明品と同等であったが、５０億サイクルで劣化率１２％と大きく駆動信頼性は本発明品に及ぶものではなかった。

本発明の圧電アクチュエータの構造を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図、（ｃ）は平面図である。 本発明の圧電アクチュエータの分極状態を示す概略断面図である。

符号の説明

１・・・圧電アクチュエータ
２・・・基板
３・・・流路部材
４・・・共通電極
４ａ・・・共通電極の駆動電極に対向する対向部位
５・・・圧電セラミック層
５ａ・・・駆動電極及び対向部位で挟持される圧電セラミック層の挟持領域
６・・・駆動電極
７・・・変位素子
７ａ・・・変位領域
７ｂ・・・非変位領域

Claims (6)

1. 基板の上に、一対の電極で圧電体を挟持してなる変位素子をマトリックス状に配置せしめ、一対の電極に電圧を印加することによって前記変位素子を変位させる前記圧電アクチュエータであって、該変位素子の変位によって変形する変位領域間に非変位領域を設け、該非変位領域の圧電セラミック層の分極方向を前記変位領域の圧電セラミック層の分極方向と異なるように分極処理を施してなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 振動基板の上に、共通電極、圧電セラミック層をこの順に形成し、さらに該圧電セラミック層の表面に複数の駆動電極を形成することによって、該駆動電極と、前記共通電極の前記駆動電極に対向する対向部位と、前記駆動電極及び前記対向部位で挟持される前記圧電セラミック層の挟持領域と、で形成される変位素子を、前記振動板の上に複数配設し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。
3. 前記振動板が、圧電体層と内部電極層との積層体であ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。
4. 前記変位領域の分極方向と、前記非変位領域の分極方向とが、略反対であり、前記厚み方向と垂直な方向に対して、記変位領域が伸長する際に前記非変位領域が収縮し、前記変位領域が収縮する際に前記非変位領域が伸長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。
5. 複数の液体加圧室と、該複数の液体加圧室にそれぞれ連通する液滴吐出孔と、前記液体加圧室に液体を供給するための液体流路とを具備する流路部材の上に、請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、前記液体加圧室の壁面の一部が前記圧電アクチュエータで形成されるように、且つ前記液体加圧室と前記駆動電極との位置が揃うように取り付け、前記圧電アクチュエータの変位領域が変位することによって前記液体加圧室の容積を増減させ、該液体加圧室に充填された液体を加圧し、前記液滴吐出孔から液滴を吐出させることを特徴とする液体吐出装置。
6. 前記液体がインクであって、インクジェットヘッドとして用いられることを特徴とする請求項５記載の液体吐出装置。
   
   

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