JP2006212992A - Liquid jetting device - Google Patents

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Inventor
Morihito Akiyama
守人 秋山
Toshihiro Kanbara
敏浩 蒲原
Naohiro Ueno
直広 上野
Kazuhiro Nonaka
一洋 野中
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid jetting device which solves the problem of non-linearity or hysteresis resulting from ferroelectric characteristics of a piezoelectric body in a relationship between a driving voltage and a displacement amount, and the problem that a piezoelectric driving element has to be manufactured at a high temperature, and which attains the improvement in the high precision and the speeding up. <P>SOLUTION: This liquid jetting device comprises a liquid injecting port 5 for injecting a liquid, a liquid storage section 6 for storing the injected liquid, and a liquid jetting port 7 for jetting the stored liquid. The liquid jetting device also has the piezoelectric driving element 1 for pressurizing the liquid in order to jet the liquid being stored in the liquid storage section from the liquid jetting port 7, and a vibrating plate 3 which is vibrated by the piezoelectric driving element. The piezoelectric driving element has a piezoelectric body sheet 20B of non-ferroelectricity for the liquid jetting device. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、インクジェットプリンタのヘッドやディーゼルエンジンの燃料噴射装置に代表される、圧電駆動素子の逆圧電効果により微細な液体粒子を間欠的に噴射する液体噴射装置に関する。
特に、高速化及び高精度化が図られた液体噴射装置に関する。
The present invention relates to a liquid ejecting apparatus that intermittently ejects fine liquid particles by the inverse piezoelectric effect of a piezoelectric drive element, represented by a head of an inkjet printer or a fuel injection apparatus of a diesel engine.
In particular, the present invention relates to a liquid ejecting apparatus that is increased in speed and accuracy.

近年、パソコンやデジタルカメラ等の開発が進み、高容量で高画質の画像データが取り扱われるようになってきた。
そのためプリンタにも、高解像度、多階調、及び高速印刷等が求められているが、特に、インクジェットプリンタは、最も普及しているプリンタのタイプである。
インクジェットプリンタの性能を決めるのは主としてプリンタヘッドであり、このプリンタヘッドは、現在では圧電方式と熱方式の2方式が実用化されている。
In recent years, development of personal computers, digital cameras, and the like has progressed, and high-capacity and high-quality image data has been handled.
For this reason, printers are also required to have high resolution, multi-gradation, high-speed printing, etc. In particular, inkjet printers are the most popular printer type.
The performance of an ink jet printer is mainly determined by the printer head, and two types of printer heads are currently put into practical use: a piezoelectric method and a thermal method.

圧電方式は、圧電駆動素子に電圧を印加することにより圧電体膜を変形する逆圧電効果を利用してインク粒をノズルから間欠的に噴射するものであり、バイモルフ型や積層型がある。
一方、熱方式は、薄膜ヒータの加熱による液体の突沸の力を利用してインク粒を間欠的に噴射するものである。
高解像度、多階調印刷のためにはインク粒径が小さく、その粒径を精度良く制御でき、しかもインク粒を所定の位置に正確に噴射する必要がある。
また、高速印刷のためには噴射速度の高速化と液体噴射ノズルの集積化も考えられる。
The piezoelectric method is one in which ink particles are intermittently ejected from a nozzle using a reverse piezoelectric effect that deforms a piezoelectric film by applying a voltage to a piezoelectric driving element, and there are a bimorph type and a laminated type.
On the other hand, in the thermal method, ink particles are ejected intermittently using the force of bumping of liquid by heating of a thin film heater.
For high resolution and multi-tone printing, the ink particle size is small, the particle size can be accurately controlled, and the ink particles need to be accurately ejected to a predetermined position.
For high-speed printing, it is conceivable to increase the ejection speed and to integrate the liquid ejection nozzles.

因みに、このインク粒を噴射する技術は、インクジェットプリンタ以外でも、ディーゼルエンジンの燃料噴射装置や工業製品の製造プロセスにおける製品への刻印や描画、液体原料の供給等に利用することができる。
また、医療関係やバイオテクノロジー等の分野では微小量液体の送出の技術が必要とされている。
以上のように、多くの分野で高精度、高速な液体噴射装置が求められている。
Incidentally, the technology for ejecting the ink particles can be used for engraving or drawing on a product in a manufacturing process of a diesel engine fuel injection device or an industrial product, supplying a liquid raw material, and the like other than the ink jet printer.
In addition, in the fields of medical relations and biotechnology, a technique for delivering a minute amount of liquid is required.
As described above, a high-precision and high-speed liquid ejecting apparatus is required in many fields.

ところで従来の熱方式や圧電方式の液体噴射装置では高精度、高速化を実現するためには以下のような問題があった。
従来の熱方式の液体噴射装置は構造が簡単で、安価に製造できる利点を有しているが、薄膜ヒータの加熱による液体の突沸の力を利用して液体を噴射しているため、液体の噴射量の制御が難しく、また、液体の噴射毎に加熱、冷却を繰り返すために昇温、降温に時間が必要で高速化には限界があった。
また、熱に弱い液体の使用は必然的に困難となる。
However, the conventional thermal and piezoelectric liquid ejecting apparatuses have the following problems in order to achieve high accuracy and high speed.
The conventional thermal type liquid ejecting apparatus has an advantage that the structure is simple and can be manufactured at low cost. However, since the liquid is ejected by utilizing the force of the liquid boiling due to the heating of the thin film heater, Control of the injection amount is difficult, and heating and cooling are repeated every time the liquid is injected, so that it takes time to raise and lower the temperature, and there is a limit to speeding up.
Also, the use of heat-sensitive liquid is inevitably difficult.

一方、圧電方式の液体噴射装置は圧電体の逆圧電効果を利用して液体を噴射するため、熱方式に比べて噴射量の制御が比較的容易で、噴射の繰返し時間も短縮できる。
しかし、圧電方式の液体噴射装置に用いられる圧電駆動素子は、一般的にPZT等の強誘電性圧電セラミックスが使用されており、駆動電圧に対する変位量は非線形である。
On the other hand, the piezoelectric liquid ejecting apparatus ejects liquid by utilizing the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric body, so that the ejection amount can be controlled relatively easily and the ejection repetition time can be shortened as compared with the thermal system.
However, the piezoelectric drive element used in the piezoelectric liquid ejecting apparatus generally uses a ferroelectric piezoelectric ceramic such as PZT, and the displacement with respect to the drive voltage is non-linear.

そして、繰り返し圧電駆動素子に電圧を印加すると、いわゆるヒステリシスループが形成される。
すなわち、圧電駆動素子に印加した駆動電圧の履歴により圧電体膜の変位量ひいては液体噴射量が決まり、駆動電圧を印加中に電圧にノイズが乗ると、ノイズが乗った履歴の影響により液体噴射量がその都度異なってきて、バラツキを生じ、高精度な噴射量制御が困難となる。
When a voltage is repeatedly applied to the piezoelectric drive element, a so-called hysteresis loop is formed.
That is, when the drive voltage applied to the piezoelectric drive element determines the amount of displacement of the piezoelectric film, and thus the liquid injection amount, and when noise is applied to the voltage while the drive voltage is being applied, the liquid injection amount is affected by the noise applied history. However, it becomes different from time to time, causing variations and making it difficult to control the injection amount with high accuracy.

一方では、多くの強誘電体には鉛や重金属等の有害な物質が使用されている。
更に、強誘電性圧電セラミックスは形成時に高温焼成工程を必要とするため、多ノズル化した場合の高精度な部品加工が困難である。
また強誘電性圧電体には動作時の自己発熱と印加電圧の影響により分極状態が徐々に変化してしまうという問題もある。
これらの問題点を克服するために、圧電駆動素子に強誘電性を示さない単結晶圧電体を用いる提案(例えば、特許文献1参照)や、駆動信号を最適化することにより駆動電圧に対する変位の非線形性の影響を受けにくくする提案(例えば、特許文献2参照)がなされている。
On the other hand, harmful substances such as lead and heavy metals are used in many ferroelectrics.
Furthermore, since ferroelectric piezoelectric ceramics require a high-temperature firing process when formed, it is difficult to process parts with high accuracy when the number of nozzles is increased.
In addition, the ferroelectric piezoelectric material has a problem that the polarization state gradually changes due to the effect of self-heating during operation and the applied voltage.
In order to overcome these problems, a proposal using a single crystal piezoelectric material that does not exhibit ferroelectricity in the piezoelectric drive element (see, for example, Patent Document 1), and the displacement of the drive voltage is optimized by optimizing the drive signal. There has been a proposal for making it less susceptible to non-linearity (for example, see Patent Document 2).

特開平11−48478号公報 (明細書の段落0026)JP 11-48478 A (paragraph 0026 of the specification) 特開2001−138551号公報 (明細書の段落0081)JP 2001-138551 A (paragraph 0081 of the specification)

しかしながら、上述したような単結晶圧電体を用いた場合、単結晶材料を薄く研磨する必要があり製造プロセスにおいて工数が増え、結果的に材料費が高価になるなどの問題があった。
また、駆動信号を調整する方法では電気回路が複雑になり、高価になるばかりでなく、電気的な処理時間が長くなり高速化に対し不利に働くおそれがあった。
いずれにしても、これらの提案によっては、強誘電性圧電物質に特徴的な非線形性、ヒステリシス、分極状態の経時変化及び高温の製造工程の発生などの本質的な問題点は、まだ克服されていない。
However, when the single crystal piezoelectric material as described above is used, there is a problem that it is necessary to polish the single crystal material thinly, which increases the man-hours in the manufacturing process and consequently increases the material cost.
In addition, the method of adjusting the drive signal not only makes the electric circuit complicated and expensive, but also has a risk of disadvantageous for speeding up due to a long electric processing time.
In any case, these proposals have yet to overcome essential problems such as non-linearity, hysteresis, aging of polarization state and generation of high temperature manufacturing processes characteristic of ferroelectric piezoelectric materials. Absent.

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、駆動電圧と変位量との関係において圧電体の強誘電特性に起因して生じる非線形性やヒステリシスの問題、及び圧電駆動素子を高温で製造しなければならないという問題を克服し、高精度化及び高速化が図られた液体噴射装置を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of such a problem. The relationship between the driving voltage and the displacement amount causes problems of nonlinearity and hysteresis caused by the ferroelectric characteristics of the piezoelectric body, and the piezoelectric driving element at a high temperature. An object of the present invention is to provide a liquid ejecting apparatus that overcomes the problem of having to be manufactured and is improved in accuracy and speed.

かくして、本発明者は、このような課題背景に対して鋭意研究を重ねた結果、液体噴射装置の圧電駆動素子に、意外にも非強誘電性の圧電物質を用いることにより、上記の問題点を解決することができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。   Thus, as a result of earnest research on the background of such problems, the present inventor unexpectedly uses the non-ferroelectric piezoelectric material for the piezoelectric driving element of the liquid ejecting apparatus, thereby The present invention has been completed based on this finding.

すなわち、本発明は、(1)、液体を注入するための液体注入口と、注入された前記液体を貯蔵するための液体貯蔵部と、貯蔵された液体を噴射する液体噴射口と、前記液体貯蔵部に貯蔵された前記液体を前記液体噴射口から噴射するために前記液体に圧力を加えるための圧電駆動素子と、該圧電駆動素子によって振動させられる振動板と、を有し、前記圧電駆動素子は非強誘電性の圧電体膜を有する液体噴射装置に存する。   That is, the present invention includes (1) a liquid injection port for injecting a liquid, a liquid storage unit for storing the injected liquid, a liquid injection port for injecting the stored liquid, and the liquid A piezoelectric drive element for applying pressure to the liquid to inject the liquid stored in the storage unit from the liquid injection port; and a vibration plate vibrated by the piezoelectric drive element, the piezoelectric drive The element exists in a liquid ejecting apparatus having a non-ferroelectric piezoelectric film.

また、本発明は、(2)、前記圧電体膜は、ウルツ鉱型結晶構造の化合物を主成分とする上記(1)記載の液体噴射装置に存する。   Further, the present invention resides in (2) the liquid ejecting apparatus according to the above (1), wherein the piezoelectric film includes a compound having a wurtzite crystal structure as a main component.

また、本発明は、(3)、前記ウルツ鉱型結晶構造の化合物は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化亜鉛又は硫化亜鉛である上記(2)記載の液体噴射装置に存する。   The present invention resides in (3) the liquid ejecting apparatus according to (2), wherein the compound having the wurtzite crystal structure is aluminum nitride, gallium nitride, indium nitride, zinc oxide, or zinc sulfide.

また、本発明は、(4)、前記ウルツ鉱型結晶構造の化合物が一軸配向している上記(3)記載の液体噴射装置に存する。   The present invention also resides in (4) the liquid ejecting apparatus according to the above (3), wherein the wurtzite crystal structure compound is uniaxially oriented.

また、本発明は、(5)、前記圧電駆動素子は、圧電体膜の上下に形成された上部電極膜及び下部電極膜とを備え、下部電極が振動板に接合形成されている上記(1)記載の液体噴射装置に存する。   According to the present invention, (5), the piezoelectric driving element includes an upper electrode film and a lower electrode film formed above and below the piezoelectric film, and the lower electrode is bonded to the diaphragm (1) ).

なお、本発明の目的に添ったものであれば、上記(1)から(5)を適宜組み合わせた構成も採用可能である。   In addition, as long as the objective of this invention is met, the structure which combined said (1) to (5) suitably is also employable.

本発明によれば、液体貯蔵部の体積を膨張、収縮させ液体噴射口から液体を噴射するための手段である圧電駆動素子を非強誘電体にしたので、駆動電圧に対する変位量が線形応答を示し、またヒステリシスも示さなくなるために高精度な液体噴射が可能となる。
また、分極状態が変化することもなく、長期に渡って高精度で安定した液体噴射特性が維持できる。
According to the present invention, since the piezoelectric drive element, which is a means for inflating and contracting the volume of the liquid storage unit and ejecting the liquid from the liquid ejection port, is made non-ferroelectric, the amount of displacement with respect to the drive voltage has a linear response. In addition, since no hysteresis is shown, highly accurate liquid ejection is possible.
In addition, the polarization state does not change, and a highly accurate and stable liquid ejection characteristic can be maintained over a long period of time.

更に、窒化アルミニウム、窒化ガリウム及び窒化インジウム等のウルツ鉱型結晶構造を有する圧電体は、スパッタリング法などによる低温での形成が可能であり、既存の半導体プロセスの技術により超小型で精密な製造が可能である。
したがって、マイクロレベルでのノズルの集積化が容易となり、高速な液体噴射も可能となる。
Furthermore, piezoelectric materials having a wurtzite crystal structure such as aluminum nitride, gallium nitride, and indium nitride can be formed at a low temperature by sputtering or the like, and can be manufactured in an ultra-small and precise manner using existing semiconductor process technology. Is possible.
Accordingly, integration of nozzles at the micro level is facilitated, and high-speed liquid ejection is also possible.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の液体噴射装置の一実施形態に用いられる圧電駆動素子の基本構造の断面を示す説明図である。
図に示すように、圧電駆動素子1は、下部電極膜2A、圧電体膜2B及び上部電極膜2Cから構成されている。
即ち、圧電駆動素子1は、圧電体膜2Bの上下に形成された上部電極膜2C及び下部電極膜2Aとを備え、下部電極膜2Aが振動板3に接合形成されている。
この振動板3は、圧電駆動素子1が振動すると、それに同期して振動する。
なお、下部電極膜2Aは、振動板3が導電体である場合は振動板3が電極の役割を果たすので、必ずしも設ける必要はない。
FIG. 1 is an explanatory view showing a cross section of a basic structure of a piezoelectric driving element used in an embodiment of a liquid ejecting apparatus of the invention.
As shown in the figure, the piezoelectric driving element 1 is composed of a lower electrode film 2A, a piezoelectric film 2B, and an upper electrode film 2C.
That is, the piezoelectric driving element 1 includes an upper electrode film 2C and a lower electrode film 2A formed above and below the piezoelectric film 2B, and the lower electrode film 2A is bonded to the diaphragm 3.
When the piezoelectric drive element 1 vibrates, the diaphragm 3 vibrates in synchronization therewith.
The lower electrode film 2A is not necessarily provided when the diaphragm 3 is a conductor because the diaphragm 3 serves as an electrode.

振動板3の材質には、炭素鋼、タングステン鋼、クロム鋼、モリブデン鋼、ステンレス鋼、銅、リン青銅、真鍮、ニッケル合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、亜鉛合金、白金、金、銀その他の金属材料を用いることもできる。
また、いわゆる金属材料の他にシリコンやガリウムヒ素などの半導体、酸化アルミニウムなどの酸化物、窒化ケイ素、窒化ホウ素若しくは窒化チタンなどの窒化物、炭化ケイ素や炭化タングステンなどの炭化物、又はポリイミド、ポリエチレン若しくはビニール等の有機高分子材料を用いることもできる。
The material of the diaphragm 3 is carbon steel, tungsten steel, chrome steel, molybdenum steel, stainless steel, copper, phosphor bronze, brass, nickel alloy, aluminum alloy, magnesium alloy, titanium alloy, zinc alloy, platinum, gold, silver Other metal materials can also be used.
In addition to so-called metal materials, semiconductors such as silicon and gallium arsenide, oxides such as aluminum oxide, nitrides such as silicon nitride, boron nitride and titanium nitride, carbides such as silicon carbide and tungsten carbide, polyimide, polyethylene or Organic polymer materials such as vinyl can also be used.

下部電極膜2Aの材質には、アルミニウム、ニッケル、クロム、白金、金、銀、銅、鉄、タンタル、タングステン、ジルコニア、モリブデン、ルテニウム、イリジウム及びパラジウム等の金属やそれらの合金を用いることができる。
また、ルテニウム酸化物などの金属酸化物や窒化チタンなどの金属窒化物を用いることもできる。
ところで、振動板3と下部電極膜2Aとの間には、これらの層の接合性や更にはクオリティの観点から切合成中間層としてTiやCr等を積層することが好ましい。
中間層としては導電性を有する金属膜であればTi及びCr以外でも良く、例えばIn,Ag,Cu,Zn,Sn,Ge,Ni,Pd,Pbを用いることもできる。
As the material of the lower electrode film 2A, metals such as aluminum, nickel, chromium, platinum, gold, silver, copper, iron, tantalum, tungsten, zirconia, molybdenum, ruthenium, iridium and palladium, and alloys thereof can be used. .
Alternatively, a metal oxide such as ruthenium oxide or a metal nitride such as titanium nitride can be used.
By the way, between the diaphragm 3 and the lower electrode film 2A, it is preferable to laminate Ti, Cr, or the like as a cut synthetic intermediate layer from the viewpoints of the bondability of these layers and further the quality.
The intermediate layer may be other than Ti and Cr as long as it is a conductive metal film. For example, In, Ag, Cu, Zn, Sn, Ge, Ni, Pd, and Pb may be used.

圧電体膜2Bは非強誘電体であり、ウルツ鉱型結晶構造の化合物、例えば窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化亜鉛又は硫化亜鉛を主成分とする材料が用いられ、特に窒化アルミニウムを主成分とすることが好ましい。
窒化アルミニウムは、作製や薄膜化が容易であるなど、圧電素子の小型化及び薄型化に向けて、有望な材料であるからである。
The piezoelectric film 2B is a non-ferroelectric material, and a compound having a wurtzite crystal structure, for example, a material mainly composed of aluminum nitride, gallium nitride, indium nitride, zinc oxide, or zinc sulfide is used. In particular, aluminum nitride is mainly used. It is preferable to use as a component.
This is because aluminum nitride is a promising material for reducing the size and thickness of piezoelectric elements, such as being easy to fabricate and thin.

なお、窒化アルミニウムを圧電素子として利用するには、C軸配向性が強いほど圧電性も強くなるという観点から、C軸に一軸配向した窒化アルミニウムが好ましい。
配向性が望まれるのは、窒化アルミニウムに限られず、窒化インジウム、窒化ガリウム、硫化亜鉛又は酸化亜鉛その他の材料についても、同様に、圧電性等の観点から配向性のあることが好ましい。
In order to use aluminum nitride as a piezoelectric element, aluminum nitride uniaxially oriented on the C axis is preferable from the viewpoint that the stronger the C axis orientation, the stronger the piezoelectricity.
The orientation is desired not only for aluminum nitride, but also for indium nitride, gallium nitride, zinc sulfide, zinc oxide and other materials, it is also preferred that the orientation be similarly from the viewpoint of piezoelectricity and the like.

圧電体膜2Bに非強誘電体を用いることにより、後述する試験結果で示すように、駆動電圧と変位量との関係のグラフは線形応答を示し、ピコメートル(pm)オーダーの微小振動からマイクロメートル(μm)オーダーの振動までの広い範囲に渡る振動を精度良く高速に発生させることが可能になる。
上部電極膜2Cの材質には、下部電極膜2Aに用いることができる材料の中から選択することができる。
By using a non-ferroelectric material for the piezoelectric film 2B, the graph of the relationship between the drive voltage and the amount of displacement shows a linear response, as shown in the test results described later, from micro vibrations on the order of picometers (pm) to micro. Vibration over a wide range up to vibrations in the order of meters (μm) can be generated with high accuracy and at high speed.
The material of the upper electrode film 2C can be selected from materials that can be used for the lower electrode film 2A.

以上述べた圧電体膜、電極膜、振動板等の相互間の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、CVD法、MOCVD法及びMBE法、或いは塗布等が知られており、その中から適宜好ましいものを選択すれば良い。   The method for forming the piezoelectric film, electrode film, diaphragm, etc. described above includes sputtering, vacuum deposition, laser ablation, ion plating, CVD, MOCVD and MBE, or coating. What is necessary is just to select a preferable thing suitably among them.

図2は、本発明の一実施形態の液体噴射装置を横から見た場合の断面を示している。
この液体噴射装置4は、円筒状の装置本体9と、この装置本体9の外周面に備えられた圧電駆動素子1とを有している。
筒状の装置本体9の後端側には、装置本体9内に液体を注入する液体注入口5が形成されている。
この液体注入口5の形状は、装置本体9の先端側に行くほど穴径が小さくなるテーパ状にされている。
液体注入口5は、比較的大きな空間、すなわち注入した液体を貯蔵する液体貯蔵部6に連通されている。
また、装置本体9には、液体貯蔵部6と装置本体9の外周とを貫通する穴が形成され、この穴の箇所に圧電駆動素子1が備えられている。
FIG. 2 shows a cross section when the liquid ejecting apparatus according to the embodiment of the invention is viewed from the side.
The liquid ejecting apparatus 4 includes a cylindrical apparatus main body 9 and a piezoelectric driving element 1 provided on the outer peripheral surface of the apparatus main body 9.
A liquid inlet 5 for injecting liquid into the apparatus main body 9 is formed on the rear end side of the cylindrical apparatus main body 9.
The shape of the liquid injection port 5 is tapered such that the hole diameter decreases toward the distal end side of the apparatus main body 9.
The liquid injection port 5 communicates with a relatively large space, that is, a liquid storage unit 6 that stores the injected liquid.
Further, a hole penetrating the liquid storage unit 6 and the outer periphery of the apparatus main body 9 is formed in the apparatus main body 9, and the piezoelectric driving element 1 is provided at the hole.

圧電駆動素子1を駆動させると、すなわち下部電極膜2Aと上部電極膜2Cとの間に駆動電圧を印加すると、圧電体膜2Bが振動し、この振動が振動板3により増幅され、振動板3が液体貯蔵部6に貯蔵された液体に圧力を加える。
そして、圧力を加えられた液体は装置本体9の先端に形成された液体噴射口7から噴射される。
この作用により液体貯蔵部6の体積が収縮(加圧)と膨張(減圧)を繰り返し、1サイクル毎に液体噴射口7から液滴8を噴射する。
When the piezoelectric driving element 1 is driven, that is, when a driving voltage is applied between the lower electrode film 2A and the upper electrode film 2C, the piezoelectric film 2B vibrates, and this vibration is amplified by the diaphragm 3, and the diaphragm 3 Applies pressure to the liquid stored in the liquid reservoir 6.
The liquid to which pressure is applied is ejected from a liquid ejection port 7 formed at the tip of the apparatus main body 9.
By this action, the volume of the liquid storage unit 6 is repeatedly contracted (pressurized) and expanded (depressurized), and droplets 8 are ejected from the liquid ejection port 7 every cycle.

(線形性確認試験)
圧電駆動素子の圧電体膜に非強誘電性の材料を用いると、圧電体膜に印加される駆動電圧と圧電体膜の変位量がほぼ直線状になることの確認試験を行った。
本試験で使用した圧電駆動素子10(17mm×17mm)の構造は、図3に示すように、振動板3としてシリコンウエハ(厚さ500μm)、圧電体膜20Bとして窒化アルミニウム(厚さ1μm)を用い、圧電体膜20Bを挟んで下部電極膜20A(厚さ100nmの白金薄膜)と上部電極膜20C(厚さ100nmの白金薄膜)を形成した。
そして下部電極膜20Aと上部電極膜20Cの間に正弦波の電圧を印加した。 また変位量をレーザードップラー振動計を用いて測定した。
(Linearity confirmation test)
A test was conducted to confirm that when a non-ferroelectric material was used for the piezoelectric film of the piezoelectric drive element, the drive voltage applied to the piezoelectric film and the displacement of the piezoelectric film were almost linear.
As shown in FIG. 3, the structure of the piezoelectric driving element 10 (17 mm × 17 mm) used in this test is a silicon wafer (thickness: 500 μm) as the diaphragm 3 and aluminum nitride (thickness: 1 μm) as the piezoelectric film 20B. The lower electrode film 20A (platinum thin film having a thickness of 100 nm) and the upper electrode film 20C (platinum thin film having a thickness of 100 nm) were formed with the piezoelectric film 20B interposed therebetween.
A sine wave voltage was applied between the lower electrode film 20A and the upper electrode film 20C. The displacement was measured using a laser Doppler vibrometer.

図4は、本発明の液体噴射装置に用いられる圧電駆動素子の駆動電圧と変位特性との関係を示しており、試験結果である。
図から分かるように、良好な線形性を示すグラフが得られた。
また、駆動速度は40kHz以上にすることができた。
なお、本実施例の場合には、振動板3として厚さ500μmのシリコンウエハを用いたために変位量はナノメートル(nm)オーダーとなったが、振動板の形状や弾性率を調整することによりピコメートルからマイクロメートルの広い範囲での変量調整が当然可能である。
FIG. 4 shows the relationship between the drive voltage and displacement characteristics of the piezoelectric drive element used in the liquid ejecting apparatus of the present invention, and is a test result.
As can be seen from the figure, a graph showing good linearity was obtained.
The driving speed could be 40 kHz or higher.
In this embodiment, since the silicon wafer having a thickness of 500 μm is used as the diaphragm 3, the displacement amount is on the order of nanometers (nm). However, by adjusting the shape and elastic modulus of the diaphragm Naturally, variable adjustment in a wide range from picometer to micrometer is possible.

以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した一実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。   Although the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications can be made without departing from the essence thereof. .

図1は、本発明の液体噴射装置の一実施形態に用いられる圧電駆動素子の基本構造の断面を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view showing a cross section of a basic structure of a piezoelectric driving element used in an embodiment of a liquid ejecting apparatus of the invention. 図2は、本発明の一実施形態の液体噴射装置を横から見た場合の断面を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a cross section when the liquid ejecting apparatus according to the embodiment of the invention is viewed from the side. 図3は、確認試験人で使った圧電駆動素子の構造を示す説明図である。す説明図である。FIG. 3 is an explanatory view showing the structure of the piezoelectric driving element used by the confirmation tester. FIG. 図4は、圧電駆動素子の駆動電圧と変位特性との関係を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the drive voltage and displacement characteristics of the piezoelectric drive element.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電駆動素子
2A 下部電極膜
2B 圧電体膜
2C 上部電極膜
3 振動板
4 液体噴射装置
5 液体注入口
6 液体貯蔵部
7 液体噴射口
8 液滴
9 装置本体
10 圧電駆動素子
20A 下部電極膜
20B 圧電体膜
20C 上部電極膜
30 振動板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric drive element 2A Lower electrode film 2B Piezoelectric film 2C Upper electrode film 3 Diaphragm 4 Liquid ejector 5 Liquid inlet 6 Liquid storage part 7 Liquid ejector 8 Droplet 9 Apparatus body 10 Piezoelectric drive element 20A Lower electrode film 20B Piezoelectric film 20C Upper electrode film 30 Diaphragm

Claims (5)

液体を注入するための液体注入口と、
注入された前記液体を貯蔵するための液体貯蔵部と、
貯蔵された液体を噴射する液体噴射口と、
前記液体貯蔵部に貯蔵された前記液体を前記液体噴射口から噴射するために前記液体に圧力を加えるための圧電駆動素子と、
該圧電駆動素子によって振動させられる振動板と、
を有し、
前記圧電駆動素子は非強誘電性の圧電体膜を有することを特徴とする液体噴射装置。
A liquid inlet for injecting liquid;
A liquid reservoir for storing the injected liquid;
A liquid ejection port for ejecting the stored liquid;
A piezoelectric drive element for applying pressure to the liquid in order to eject the liquid stored in the liquid storage unit from the liquid ejection port;
A diaphragm that is vibrated by the piezoelectric drive element;
Have
The liquid ejecting apparatus, wherein the piezoelectric driving element has a non-ferroelectric piezoelectric film.
前記圧電体層は、ウルツ鉱型結晶構造の化合物を主成分とすることを特徴とする請求項1記載の液体噴射装置。   The liquid ejecting apparatus according to claim 1, wherein the piezoelectric layer includes a compound having a wurtzite crystal structure as a main component. 前記ウルツ鉱型結晶構造の化合物は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化亜鉛又は硫化亜鉛であることを特徴とする請求項2記載の液体噴射装置。   3. The liquid ejecting apparatus according to claim 2, wherein the compound having the wurtzite crystal structure is aluminum nitride, gallium nitride, indium nitride, zinc oxide, or zinc sulfide. 前記ウルツ鉱型結晶構造の化合物が一軸配向していることを特徴とする請求項3記載の液体噴射装置。   The liquid ejecting apparatus according to claim 3, wherein the compound having the wurtzite crystal structure is uniaxially oriented. 前記圧電駆動素子は、圧電体膜の上下に形成された上部電極膜及び下部電極膜とを備え、
下部電極が振動板に接合形成されていることを特徴とする請求項1記載の液体噴射装置。
The piezoelectric driving element includes an upper electrode film and a lower electrode film formed above and below the piezoelectric film,
The liquid ejecting apparatus according to claim 1, wherein the lower electrode is bonded to the diaphragm.
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