JP2008149662A - Piezoelectric/electrostrictive actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクジェットプリンタ用ヘッド、超音波モータ、マイクロミラーデバイスのようなスキャナー等に用いられる圧電/電歪アクチュエータに関するもので、特に、画像に応じて液滴を記録材に対して断続的に吐出することにより記録材上への記録をおこなうオンデマンド型の記録ヘッドに用いられる圧電/電歪アクチュエータ関する。 The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive actuator used in a scanner such as a head for an inkjet printer, an ultrasonic motor, or a micromirror device, and in particular, drops are intermittently applied to a recording material according to an image. The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive actuator used in an on-demand type recording head that performs recording on a recording material by discharging.
従来オフィース、ホーム用もしくは業務用として製品化されているオンデマンド型インクジェットプリンタに用いられる記録ヘッドとしては、サーマル方式および圧電/電歪方式の2方式が主流となっている。 As a recording head used in an on-demand type ink jet printer that has been commercialized for office, home use, or business use, two methods, a thermal method and a piezoelectric / electrostrictive method, have become mainstream.
サーマル方式のオンデマンド型インクジェットヘッドは、液体を吐出する為に設けられた吐出口と、該吐出口に連通し、液滴を吐出する為の熱エネルギーが液体に作用する部分である熱作用部を構成の一部とする液流路とを有する液吐出部と、熱エネルギーを発生する手段としての電気熱変換体とを具備している。 The thermal on-demand type ink jet head includes a discharge port provided for discharging a liquid, and a heat acting part that communicates with the discharge port and is a portion where thermal energy for discharging droplets acts on the liquid. The liquid discharge part which has the liquid flow path which makes a part of a structure, and the electrothermal conversion body as a means to generate | occur | produce a thermal energy are comprised.
そして、この電気熱変換体は、一対の電極と、この電極に接続し、この電極の間に発熱する領域(熱発生部)を有する発熱抵抗層とを具備している。 The electrothermal transducer includes a pair of electrodes, and a heating resistor layer connected to the electrodes and having a region (heat generating portion) that generates heat between the electrodes.
この様なインクジェットヘッドの構造を示す典型的な例が図11(a)、及び図11(b)に示される。 A typical example showing the structure of such an ink jet head is shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b).
図11(a)は、代表的なインクジェットヘッドの吐出口側から見た正面部分図、図11(b)は、11(a)の一点鎖線XYで示す部分で切断した場合の切断面部分図である。 FIG. 11A is a partial front view as seen from the discharge port side of a typical ink jet head, and FIG. 11B is a partial cross-sectional view when cut along a portion indicated by a one-dot chain line XY in 11A. It is.
図11に示される記録ヘッド301は、その表面に電気熱変換体302が設けられている基板303の表面に、所定の線密度で所定の巾と深さの溝が所定数設けられている溝付板304で覆う様に接合することによって、吐出口305と液吐出部306が形成された構造を有している。
The
図11に示す記録ヘッドの場合、吐出口305を複数有するものとして示されている。
The recording head shown in FIG. 11 is shown as having a plurality of
液吐出部306は、その終端に液体を吐出させる為の吐出口305と、電気熱変換体302より発生される熱エネルギーが液体に作用して気泡を発生し、その体積の膨張と収縮による急激な状態変化を引起こす部分である熱作用部307とを有する。
The liquid discharge unit 306 has a
熱作用部307は、電気熱変換体302の熱発生部308の上部に位置し、熱発生部308の液体と接触する面としての熱作用面309をその底面としている。
The
熱発生部308は、基板303上に設けられた下部層310、該下部層310上に設けられた発熱抵抗層311、該発熱抵抗層311上に設けられた上部層312とで構成される。
The
発熱抵抗層311の表面には、熱を発生させる為に該発熱抵抗層311に通電する為の電極313、314が設けられている。
電極313は、各液吐出部の熱発生部に共通の電極であり、電極314は、各液吐出部の熱発生部を選択して発熱させる為の選択電極であって、液吐出部の流通路に沿って設けられてある。
The
上部層312は、熱発生部308においては発熱抵抗層311を、使用する液体(例えばインク)から化学的・物理的に保護する為に発熱抵抗層311と液吐出部306の液流路を満たしている液体とを隔離すると共に、液体を通じて電極313、314間が短絡するのを防止する、発熱抵抗層311の保護的機能を有している。
The
このようなサーマル方式においては、基本的に発熱素子の集積化が容易であり、高密度なピッチで複数の吐出口を並べることが可能であるが、吐出原理が水の発泡現象を用いるため使用する液体が水系の物に限られる。 In such a thermal method, it is basically easy to integrate the heating elements, and it is possible to arrange a plurality of discharge ports at a high density pitch, but it is used because the discharge principle uses the foaming phenomenon of water. The liquid to be used is limited to water-based ones.
次にアクチュエータとして圧電/電歪素子を用いたインクジェットヘッドは、例えば、PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)等の圧電/電歪素子と電極材料とを交互に積層した積層構造の圧電/電歪素子をアクチュエータとし、圧電/電歪素子の圧電/電歪変位を直接振動板に伝達することにより振動板を変位させ、変位した振動板を介して個別液室に体積変化を与えて液室に連通する吐出口よりインクを吐出させるものや、振動板上に電極-圧電/電歪体-電極を形成し、圧電/電歪体の電歪により振動板を撓ませる、所謂ユニモルフ素子を圧電/電歪素子とし、この振動板が少なくともひとつの面となるような個別液室に体積変化を与えて個別液室に連通する吐出口よりインクを吐出させるものが実用化されている。 Next, an inkjet head using a piezoelectric / electrostrictive element as an actuator is, for example, a piezoelectric / electrostrictive element having a laminated structure in which piezoelectric / electrostrictive elements such as PZT (lead zirconate titanate) and electrode materials are alternately laminated. Is used as an actuator to displace the diaphragm by directly transmitting the piezoelectric / electrostrictive displacement of the piezoelectric / electrostrictive element to the diaphragm, and through the displaced diaphragm, a volume change is given to the individual liquid chamber to communicate with the liquid chamber. A so-called unimorph element, which discharges ink from the discharge port, or forms an electrode-piezoelectric / electrostrictive body-electrode on the vibration plate and bends the vibration plate due to electrostriction of the piezoelectric / electrostrictive body, is a piezoelectric / electric element. A strain element, in which ink is ejected from an ejection port communicating with the individual liquid chamber by changing the volume of the individual liquid chamber so that the diaphragm becomes at least one surface, has been put into practical use.
ここでアクチュエータの圧電/電歪変位は、圧電/電歪素子に印加される電圧が、分極方向に対して同一である場合は、圧電定数をd33として印加電圧の方向に伸びる圧電/電歪変位が発生し、逆方向の場合は、圧電定数をd31として印加電圧と直角方向に伸びる圧電/電歪変位が発生する。 Here, when the voltage applied to the piezoelectric / electrostrictive element is the same as the polarization direction, the piezoelectric / electrostrictive displacement of the actuator extends in the applied voltage direction with the piezoelectric constant being d33. In the opposite direction, a piezoelectric / electrostrictive displacement is generated that extends in the direction perpendicular to the applied voltage with the piezoelectric constant d31.
したがって上記した積層構造の圧電/電歪素子においてはd33またはd31の変位モードを、またユニモルフタイプの圧電/電歪素子においてはd31の変位モードを用いるのが一般的である。 Therefore, the displacement mode of d33 or d31 is generally used in the piezoelectric / electrostrictive element having the above-described laminated structure, and the displacement mode of d31 is generally used in the unimorph type piezoelectric / electrostrictive element.
図8(a)(b)に上記したユニモルフタイプの圧電/電歪素子を用いたオンデマンド型インクジェットヘッドの代表例の断面図及び平面省略図を示す。 FIGS. 8 (a) and 8 (b) are a cross-sectional view and a plan view omitting a plan view of a representative example of an on-demand type ink jet head using the above-described unimorph type piezoelectric / electrostrictive element.
ここでインク液滴吐出手段としては、インクが充填された個別液室を圧電/電歪素子により加圧しインク液滴を吐出する方式であり、基体201内に形成された個別液室202に対して振動板203を接合することにより個別液室が形成される。
Here, the ink droplet discharge means is a method in which an individual liquid chamber filled with ink is pressurized by a piezoelectric / electrostrictive element to discharge ink droplets, and is applied to the individual
また、この振動板203上には下電極205、圧電/電歪素子204、上電極206が積層形成されている。
On the
個別液室202内には、吐出口207及び個別液室202に連通した共通液室208が形成される。
In the individual
これらの一連の素子は基体上に列上に複数形成され、画像信号(駆動信号)Sにより選択的に各上下電極205、206間に電圧が印加されることにより、圧電/電歪素子204に電歪が起こり、振動板203が急速に撓む。
A series of these elements are formed in a row on the substrate, and a voltage is selectively applied between the upper and
これにより個別液室202と振動板203で形成された個別液室202の容積が減少し、吐出口207からインク液滴Dが吐出される。
As a result, the volume of the
この方式の特徴としては、圧電/電歪素子への電圧印加方法等によりインク液滴サイズのコントロールが可能であり、また液体(インク)材料の選択も比較的容易であるという長所を有する。
近年インクジェットプリンタの更なる高速印字を実現するために、ノズル数を増大させ、更にはプリンタヘッドを長尺化し、紙の搬送方向と垂直方向にこのプリンタヘッドを複数本配設してヘッドを移動することなく印字を行う所謂ラインヘッドプリンタの提案も多数なされている。 In recent years, the number of nozzles has been increased and the length of the printer head has been increased in order to realize higher-speed printing for inkjet printers. A plurality of printer heads are arranged in the direction perpendicular to the paper transport direction to move the head. A number of so-called line head printers that perform printing without doing so have also been proposed.
例えば、特開平10-095150においてはA4縦サイズ210mmをカバーするフルライン型のインクジェットヘッドを用いたラインヘッドプリンタについて提案がなされている。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-095150 proposes a line head printer that uses a full line type ink jet head that covers an A4 vertical size of 210 mm.
ここで提案されているヘッドでは、例えば、密度600dpi(42.3μm間隔)で5200個の吐出口を形成することにより印字可能な幅を約220mmとしている。 In the head proposed here, for example, the printable width is set to about 220 mm by forming 5200 ejection ports at a density of 600 dpi (42.3 μm intervals).
近年インクジェットプリンタのヘッドは、更なる高画質化に対応すべく高密度化の方向にあり、例えば1200dpi(21μm間隔)の密度を有するラインヘッドにおいては、10400個の吐出口を必要とすることになる。 In recent years, the heads of inkjet printers are increasing in density in order to cope with higher image quality. For example, a line head having a density of 1200 dpi (21 μm intervals) requires 10400 ejection ports. Become.
ところが上記したようなユニモルフ型の圧電/電歪素子を用いた方式のフルライン型インクジェットヘッドを例えば1200dpiという高密度ピッチで作る場合、各圧電/電歪素子を小型化した上で集積化する必要があるが、このような圧電/電歪素子の小型化に伴い圧電/電歪素子の変形による振動板の撓み量が減少、すなわち個別液室内のインク排除体積が減少するため、吐出口からのインクの吐出が難しくなる。 However, when a full-line inkjet head using a unimorph type piezoelectric / electrostrictive element as described above is made at a high-density pitch of 1200 dpi, for example, it is necessary to miniaturize and integrate each piezoelectric / electrostrictive element. However, as the size of the piezoelectric / electrostrictive element is reduced, the amount of flexure of the diaphragm due to the deformation of the piezoelectric / electrostrictive element is reduced, that is, the volume of ink excluded in the individual liquid chamber is reduced. Ink discharge becomes difficult.
図9は個別液室の並列方向と垂直の方向から見たときの圧電/電歪素子により変形される振動板203の変位の略図である。
FIG. 9 is a schematic view of the displacement of the
本来個別液室202と振動板203で形成された個別液室の容積は振動板203の変形により減少しこれがインクの排除体積に相当する。
The volume of the individual liquid chamber originally formed by the
上記したように高集積化すればするほど個別液室幅Wはより縮小化される為、一般的に図8に示すように各個別液室の並列方向に対して平行方向に個別液室長Lを伸ばすことによりインクの排除体積を同等にするべく、個別液室(振動板)幅W≪個別液室(振動板)長Lとなる。 Since the individual liquid chamber width W is further reduced as the integration becomes higher as described above, the individual liquid chamber length L is generally parallel to the parallel direction of the individual liquid chambers as shown in FIG. In order to make the excluded volume of ink equal by extending the length, the individual liquid chamber (vibrating plate) width W << the individual liquid chamber (vibrating plate) length L.
この結果個別液室202上の振動板203表面に下電極205を挟んで個別液室サイズとほぼ同等サイズにパターニングされる圧電/電歪素子204は個別液室長L側に高アスペクト比となる。
As a result, the piezoelectric /
ここで図10(b)に示すように圧電/電歪素子204の上下電極間に電圧が印加されると逆圧電効果によりd31成分は個別液室幅WがW 〜 W -ΔW 、個別液室長LはL 〜 L-ΔLとなる。
Here, as shown in FIG. 10B, when a voltage is applied between the upper and lower electrodes of the piezoelectric /
このとき圧電/電歪素子204は幅方向よりも長さ方向に対してアスペクト比にしたがって大きな伸縮をするので圧電/電歪素子204が縮小した場合は図10(a)に示すように振動板203の変形は個別液室長Lの中央部をピークとする下に凸な形状となるが、長さ方向の先端後端部周辺に近づくに従い個別液室幅W方向の変形は小さくなり個別液室の排除体積も減少する方向となる。
At this time, the piezoelectric /
さらに振動板203の長手方向先端後端部での基体201と振動板203の接合界面に対して過大な負荷を与える為、基体201と振動板203の接合が剥離し個別液室202内のインクが漏れるといった問題が発生する。
Further, since an excessive load is applied to the bonding interface between the
ここで個別液室202と振動板203を基体201で一体に作製したとしてもフリンジ部に過大な負荷がかかるため振動板203の破損をまねく。
Here, even if the individual
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、圧電/電歪素子の振動板上への配設構成によりインクジェットヘッドの高密度化を実現するとともに、安定したインクの吐出を可能とし印字安定性を高め、さらに接合部の剥離によるヘッドの故障のない高安定性の圧電/電歪アクチュエータを用いたインクジェットヘッドを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and by providing a piezoelectric / electrostrictive element on a diaphragm, it is possible to achieve a high density ink jet head and to enable stable ink ejection. It is an object of the present invention to provide an ink jet head using a highly stable piezoelectric / electrostrictive actuator that enhances printing stability and does not cause head failure due to peeling of the joint.
本発明の圧電/電歪アクチュエータを用いたオンデマンドインクジェットプリンタヘッドは、四方を基体に固定された縦横比が異なる振動板上に形成された下電極と圧電/電歪体と上電極からなる圧電/電歪素子の下電極と圧電/電歪体と上電極の少なくともひとつが、振動板の長手方向に対して垂直若しくは角度を有して複数の櫛歯を有する櫛歯形状に配列された圧電/電歪アクチュエータを用いることにより上述の課題を解決する。 An on-demand ink jet printer head using the piezoelectric / electrostrictive actuator of the present invention is a piezoelectric comprising a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive body, and an upper electrode formed on diaphragms having four aspect ratios fixed to a base and having different aspect ratios. / A piezoelectric element in which at least one of the lower electrode, the piezoelectric element, the electrostrictive body, and the upper electrode of the electrostrictive element is arranged in a comb-teeth shape having a plurality of comb teeth perpendicularly or at an angle to the longitudinal direction of the diaphragm / The above-mentioned problem is solved by using an electrostrictive actuator.
より詳細には、複数の個別液室を有する基体と、この個別液室の少なくともひとつの面を形成し前記各個別液室に対応して下電極と圧電/電歪体と上電極からなる圧電/電歪素子が形成された振動板を前記圧電/電歪素子の変形によって変形させ、個別液室の体積を変化させることにより各個別液室内に充填された液体を各個別液室に直接又は間接的に連通した吐出口から吐出させるインクジェットヘッドに用いられる圧電/電歪アクチュエータおいて、振動板上に形成された下電極と圧電/電歪体と上電極からなる圧電/電歪素子の下電極と圧電/電歪体と上電極の少なくともひとつが、振動板の長手方向に対して垂直若しくは角度を有して複数の櫛歯を有する櫛歯形状に配列された圧電/電歪アクチュエータを用いることにより上述の課題を解決する。 More specifically, a substrate having a plurality of individual liquid chambers, and a piezoelectric element comprising at least one surface of the individual liquid chambers and comprising a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive body, and an upper electrode corresponding to each individual liquid chamber. / The diaphragm in which the electrostrictive element is formed is deformed by deformation of the piezoelectric / electrostrictive element, and the volume of the individual liquid chamber is changed to change the liquid filled in each individual liquid chamber directly into each individual liquid chamber or In a piezoelectric / electrostrictive actuator used for an inkjet head that ejects from a discharge port that is indirectly communicated, under a piezoelectric / electrostrictive element that includes a lower electrode formed on a diaphragm, a piezoelectric / electrostrictive body, and an upper electrode. A piezoelectric / electrostrictive actuator in which at least one of an electrode, a piezoelectric / electrostrictive body, and an upper electrode is arranged in a comb-teeth shape having a plurality of comb teeth perpendicular to or at an angle to the longitudinal direction of the diaphragm is used. By the above section To resolve.
(作用)
本発明の上記の構造によれば、圧電/電歪素子が個別液室長方向よりも個別液室幅方向の変形を大きくできる為、個別液室の排除体積を増加することができる。
(Function)
According to the above-described structure of the present invention, the piezoelectric / electrostrictive element can be more deformed in the width direction of the individual liquid chamber than in the length direction of the individual liquid chamber, so that the excluded volume of the individual liquid chamber can be increased.
さらに振動板の長手方向先端後端部での基体と振動板の接合界面、若しくは個別液室と振動板を基体で一体に作製したときのフリンジ部への過大な負荷を低減し、剥離、破損による個別液室からインクが漏れるといった耐久性を向上できる。 Furthermore, it reduces the excessive load on the fringe part when the interface between the base and the diaphragm at the front end and the rear end of the diaphragm in the longitudinal direction, or when the individual liquid chamber and the diaphragm are manufactured integrally with the base. It is possible to improve the durability that ink leaks from the individual liquid chamber.
本発明の圧電/電歪アクチュエータを用いたオンデマンドインクジェットプリンタヘッドは、四方を基体に固定された縦横比が異なる振動板上に形成された下電極と圧電/電歪体と上電極からなる圧電/電歪素子の下電極と圧電/電歪体と上電極の少なくともひとつが、振動板の長手方向に対して垂直若しくは角度を有して複数の櫛歯を有する櫛歯形状に配列された圧電/電歪アクチュエータを用いることにより、圧電/電歪素子が個別液室長方向よりも個別液室幅方向の変形を大きくできる為、個別液室の排除体積が増加し、ヘッドの高密度化が可能となる。 An on-demand ink jet printer head using the piezoelectric / electrostrictive actuator of the present invention is a piezoelectric comprising a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive body, and an upper electrode formed on diaphragms having four aspect ratios fixed to a base and having different aspect ratios. / A piezoelectric element in which at least one of the lower electrode, the piezoelectric element, the electrostrictive body, and the upper electrode of the electrostrictive element is arranged in a comb-teeth shape having a plurality of comb teeth perpendicularly or at an angle to the longitudinal direction of the diaphragm / By using an electrostrictive actuator, the piezoelectric / electrostrictive element can be more deformed in the width direction of the individual liquid chamber than in the length direction of the individual liquid chamber, thus increasing the volume of the individual liquid chamber and increasing the head density. It becomes.
さらに振動板の長手方向先端後端部での基体と振動板の接合界面、若しくは個別液室と振動板を基体で一体に作製したときのフリンジ部への過大な負荷を低減し、剥離、破損による個別液室からインクが漏れるといった耐久性を向上できる。 Furthermore, it reduces the excessive load on the fringe part when the interface between the base and the diaphragm at the front end and the rear end of the diaphragm in the longitudinal direction, or when the individual liquid chamber and the diaphragm are manufactured integrally with the base. It is possible to improve the durability that ink leaks from the individual liquid chamber.
以下、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータを用いたオンデマンドインクジェットプリンタヘッドについて、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an on-demand inkjet printer head using a piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1(a)は、本実施例の圧電/電歪アクチュエータを用いたプリンタヘッドを振動板103の長手方向に対して平行に切断したときの断面拡大図であり、図1(b)は、プリンタヘッドを上部から見たときの一部拡大図である。
FIG. 1A is an enlarged cross-sectional view when a printer head using the piezoelectric / electrostrictive actuator of the present embodiment is cut in parallel to the longitudinal direction of the
本発明の特徴は、振動板103上に形成された圧電/電歪素子である下電極105と圧電/電歪体104と上電極106の少なくともひとつが、振動板103の長手方向に対して垂直若しくは角度を有して複数の櫛歯を有する櫛歯形状に配列されることである。
A feature of the present invention is that at least one of the
本プリンタヘッドは吐出口107の配列ピッチで、厚さ200μmのシリコン基板からなる基体101をドライエッチングにより複数の凹部を設け、振動板103で覆って基体101と振動板103を接合することにより個別液室102が形成される。
In this printer head, the
ここで個別液室102は、幅65μm、長さ3000μm、深さ100μmで形成され、長手方向先後端は絞られ、後端側には共通液室108が連通する。
Here, the individual
また、振動板103で覆われた面の対向面には吐出口107が形成される。
Further, a
ここで振動板103は個別液室102の少なくともひとつの面を形成し圧電/電歪素子の変形によりに撓みが発生する部分であり、基体101に直接接触する部分は振動板103とは呼ばない。
Here, the
この振動板103を圧電/電歪体104の電歪により弾性変形可能なセラミック材料、もしくは金属材料である例えば、ジルコニア、シリコン、クロム、ステンレス材等の1〜30μm好ましくは1〜15μmの薄板で構成し、その表面に下電極105、上電極106を形成した圧電/電歪体104を各個別液室102に対応させて固定させ、印字信号に応じた駆動電源Sからの信号を印加することにより圧電/電歪アクチュエータを用いた記録ヘッドを構成できる。
The
上記構成の記録ヘッドにおいて、図示しないインクカートリッジから導かれるインクが共通液室108から絞り109を通して個別液室102に充填される。
In the recording head configured as described above, the ink guided from an ink cartridge (not shown) is filled into the individual
ここで任意の圧電/電歪素子に対して駆動電源Sから信号を印加させることにより振動板103が撓み、個別液室102の体積を変化させ、個別液室102内に充填されたインクを加圧し、吐出口107からインク液滴Dを吐出する。
Here, by applying a signal from the drive power source S to an arbitrary piezoelectric / electrostrictive element, the
次に上述した圧電/電歪素子について図2を用いて詳細に説明する。 Next, the above-described piezoelectric / electrostrictive element will be described in detail with reference to FIG.
下電極105は振動板103上の個別液室102に対応した位置に櫛型形状となるようマスクを介してパターニングする。
The
電極形成手段として従来公知のスパッタリング法、スクリーン印刷法等によりAu、Ti、Pt、Cr、Al、Cu、Wsi、Wのような電極材料を5nm〜1μm、好ましくは5nm〜300nmで単層若しくは多層の電極を形成する。 Electrode materials such as Au, Ti, Pt, Cr, Al, Cu, Wsi, and W can be formed from 5 nm to 1 μm, preferably 5 nm to 300 nm, as a single layer or multiple layers by a conventionally known sputtering method, screen printing method, etc. The electrode is formed.
電極の膜厚が大きすぎると圧電/電歪体104の電歪の阻害となる為、膜厚は上記値としたが、電極材料、振動板材料、圧電/電歪体材料等構成体のヤング率等の機械的物性値により適時決定される。
If the film thickness of the electrode is too large, electrostriction of the piezoelectric /
本実施例においては、膜厚3μmの振動板103上にアンカー層として4nmのTi、その上に150nmのPtを下電極105として用いた。
In this example, 4 nm of Ti was used as the anchor layer on the
圧電/電歪体104は、上記下電極105を覆うようにマスクをしてスパッタリング法によりPZT膜が形成される。
The piezoelectric /
この圧電/電歪体104の膜厚は、振動板103の膜厚に対して0.3〜5倍、好ましくは0.5〜3倍で本実施例では、3μmのMPB組成PZT薄膜とした。
The film thickness of the piezoelectric /
同様に上電極106は、下電極105上に成膜した圧電・電歪体104に対応した位置に櫛型形状となるようマスクを介して下電極105と同様の条件でパターニングする。
Similarly, the
ここで下電極105、圧電・電歪体104、上電極106は、下電極105と上電極106のショートを避ける為、各櫛歯一本一本の太さが、下電極105<上電極106≦圧電・電歪体104となるよう構成される。
Here, the
また、下電極の共通電極部C105と上電極の共通電極部C106は個別液室102の両岸に個別液室102の枠外にくるようにパターニングされている。
Further, the common electrode portion C105 of the lower electrode and the common electrode portion C106 of the upper electrode are patterned so as to be outside the frame of the individual
これは前述したように個別液室102のフリンジ部若しくは基体101と振動板103の接合部での圧電・電歪体104の電歪量を低減し、上記部分の負荷を低減する為であり、本実施例においてはさらに電歪横幅(上下電極間に電圧が印加され逆圧電効果が発生する部分)wを個別液室102の幅よりも狭くすることにより負荷の低減を図っている。
This is to reduce the amount of electrostriction of the piezoelectric /
実際には圧電・電歪体104の厚み、圧電・電歪素子としてのサイズ等で上下電極間に発生する電界の拡がりが異なる為、適時構成は決定される。
Actually, since the spread of the electric field generated between the upper and lower electrodes differs depending on the thickness of the piezoelectric /
また電歪領域Pの電歪縦幅lと電歪横幅wの関係は、1≦w/l、さらに好ましくは、5≦w/lとすることにより電歪横幅w方向への圧電・電歪量が増し、振動板103の変位量が向上した。
The relationship between the electrostrictive longitudinal width l and the electrostrictive lateral width w of the electrostrictive region P is 1 ≦ w / l, more preferably 5 ≦ w / l. The amount increased, and the displacement amount of the
以上のような構成により個別液室102の排除体積を増加し、ヘッドを高密度化してもインク滴を吐出することが可能となり、ヘッドとしての耐久性も向上した。
With the configuration described above, the excluded volume of the individual
本実施例において下電極105、圧電・電歪体104、上電極106はそれぞれマスキングすることにより櫛型形状にパターニングしたが、ウエットエッチング法、ドライエッチング法、電鋳法、ダイシング法等の少なくともひとつを用いて櫛型形状にすることもできる。
In this embodiment, the
基体101の材質としては本実施例に示したシリコンに限定されるものでなく、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、ガラスを含めたセラミック材料、ステンレス等の金属材料、各種ポリマー材料であっても良い。
The material of the
個別液室102の形成法は、本実施例のように上述した複数の凹部を設けた基体101と振動板103とを陽極接合、Au-Au接合、共晶接合、接着剤接合等により接合してもよいし、エッチング等で基体の一部を薄膜で残し、この部分を振動板として一体化し他方の面を塞いで個別液室とすることもできる。
As for the method of forming the individual
また加工手段としては本実施例のようなドライエッチングに限定されるものでなく、従来公知のウエットエッチングやパンチング等の機械加工を用いることもできる。 The processing means is not limited to dry etching as in the present embodiment, and conventionally known mechanical processing such as wet etching and punching can also be used.
圧電・電歪体104に用いられる材料としては、ペロブスカイト型化合物が挙げられ、例えば、上記したチタン酸ジルコン酸鉛PZT [Pb(ZrxTi1-x)O3]やチタン酸バリウムBaTiO3などの圧電材料やリラクサ系材料の電歪材料を用いることができる。
Examples of the material used for the piezoelectric /
チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のxは0.40から0.65のMPB(meso phase boundary)組成が好ましいが、それ以外の組成比でも良い。 MP of lead zirconate titanate (PZT) preferably has a meso phase boundary (MPB) composition of 0.40 to 0.65, but other composition ratios may be used.
PZTの結晶構造は正方晶、菱面体晶のいずれの結晶構造でも良い。 The crystal structure of PZT may be either tetragonal or rhombohedral.
BaTiO3は、正方晶で(001)配向された膜が好ましい。 BaTiO 3 is preferably a tetragonal (001) oriented film.
また、BaTiO3は微量の鉛、ビスマスが含有されていても良い。 BaTiO 3 may contain a trace amount of lead and bismuth.
また、本発明で使用する電歪材料としては以下の物も選択出来る。 Moreover, the following can also be selected as an electrostrictive material used by this invention.
例えばPMN[Pb(MgxNb1-x)O3]、PNN [Pb(NbxNi1-x)O3]、 PSN [Pb(ScxNb1-x)O3]、PZN[Pb(ZnxNb1-x)O3]、PMN-PT {(1-y)[Pb(MgxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]、PSN-PT {(1-y)[Pb(ScxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]、PZN-PT{(1-y)[Pb(ZnxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]、 LN[LiNbO3]、KN [KNbO3]である。 For example, PMN [Pb (Mg x Nb 1-x ) O 3 ], PNN [Pb (Nb x Ni 1-x ) O 3 ], PSN [Pb (Sc x Nb 1-x ) O 3 ], PZN [Pb ( Zn x Nb 1-x ) O 3 ], PMN-PT {(1-y) [Pb (Mg x Nb 1-x ) O 3 ] -y [PbTiO 3 ], PSN-PT {(1-y) [ Pb (Sc x Nb 1-x ) O 3 ] -y [PbTiO 3 ], PZN-PT {(1-y) [Pb (Zn x Nb 1-x ) O 3 ] -y [PbTiO 3 ], LN [ LiNbO 3 ] and KN [KNbO 3 ].
ここで、x及びyは1以下で0以上の数である。 Here, x and y are numbers of 1 or less and 0 or more.
例えば、PMNの場合xは0.2〜0.5で、PSNではxは0.4〜0.7が好ましく、PMN-PTのyは0.2〜0.4、PSN-PTのyは0.35〜0.5、PZN-PTのyは0.03〜0.35が好ましい。 For example, in the case of PMN, x is 0.2 to 0.5, and in PSN, x is preferably 0.4 to 0.7, y of PMN-PT is 0.2 to 0.4, y of PSN-PT is 0.35 to 0.5, and y of PZN-PT is 0.03 to 0.35 is preferred.
また、PMN-PT、PZN-PT,PNN-PT,PSN-PTにZrがTiに代替されて含まれたPMN-PZT,PZN-PZT,PNN-PZT,PSN-PZT化合物であっても良い。 Further, PMN-PZT, PZN-PZT, PNN-PZT, and PSN-PZT compounds in which Zr is substituted for Ti in PMN-PT, PZN-PT, PNN-PT, and PSN-PT may be used.
圧電・電歪体は単一組成であっても良いし、2種類以上の組み合わせでも良い。 The piezoelectric / electrostrictive body may have a single composition or a combination of two or more.
又、上記主成分に微量の元素をドーピングした組成物であっても良い。 Moreover, the composition which doped the trace amount element to the said main component may be sufficient.
本発明の圧電・電歪体は、優れた圧電性を発現するために、結晶制御されたものが良く、X線回折で特定の結晶構造において特定の方位が50%以上あるものが好ましく、さらには、90%以上のものがより好ましい。 The piezoelectric / electrostrictive body of the present invention is preferably crystal-controlled in order to exhibit excellent piezoelectricity, and preferably has a specific orientation of 50% or more in a specific crystal structure by X-ray diffraction. Is more preferably 90% or more.
これらの成膜プロセスとしては、上記したスパッタリング法の他、ゾル-ゲル法、イオンビーム法、分子線エピタキシー法、レーザアブレーション法、CVD(chemical vapor deposition)法、スクリーン印刷法、電気泳動法、ガスデポジション法、水熱合成法等を用いることができる。 These film formation processes include the above-described sputtering method, sol-gel method, ion beam method, molecular beam epitaxy method, laser ablation method, CVD (chemical vapor deposition) method, screen printing method, electrophoresis method, gas A deposition method, a hydrothermal synthesis method, or the like can be used.
さらに本技術は、超音波モータ、マイクロミラーデバイスのようなスキャナー等のインクジェット以外の従来公知な圧電/電歪アクチュエータ応用技術に対しても使用が可能であること勿論である。 Further, it is needless to say that the present technology can also be used for conventionally known piezoelectric / electrostrictive actuator application technologies other than inkjet such as an ultrasonic motor and a scanner such as a micromirror device.
以下、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータを用いたオンデマンドインクジェットプリンタヘッドの他の実施例について図3を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, another embodiment of the on-demand ink jet printer head using the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図3(a)は、プリンタヘッドを上部から見たときの一部拡大図であり、図3(b)は本実施例の圧電/電歪アクチュエータを用いたプリンタヘッドを振動板403の長手方向に対して垂直に切断したときの断面拡大図である。
FIG. 3A is a partially enlarged view of the printer head as viewed from above, and FIG. 3B shows the printer head using the piezoelectric / electrostrictive actuator of this embodiment in the longitudinal direction of the
主要な構成等は実施例1と同等なため説明は省略する。 Since the main configuration is the same as that of the first embodiment, the description is omitted.
本実施例における特徴は、隣接する下電極405の形状左右対称で接触した櫛歯形状で配設することによりパターニングを簡易化したものである。
The feature of this embodiment is that the patterning is simplified by arranging the adjacent
ここで上電極406は、下電極405上に成膜した圧電・電歪体404に対応した位置に櫛型形状となるようマスクを介して実施例1と同様の条件でパターニングする。
Here, the
本実施例においても、下電極の共通電極部と上電極の共通電極部は個別液室402の両岸に個別液室402の枠外にくるようにパターニングされている。
Also in this embodiment, the common electrode portion of the lower electrode and the common electrode portion of the upper electrode are patterned so as to be outside the frame of the individual
本構成をとることで少なくとも下電極405のパターニング密度が上電極406のパターニング密度の1/2で済むため製造工程上の簡易化が図れる。
By adopting this configuration, the patterning density of the
以下、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータを用いたオンデマンドインクジェットプリンタヘッドの他の実施例について図4を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, another embodiment of the on-demand ink jet printer head using the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図4は、プリンタヘッドを上部から見たときの一部拡大図であり、下電極505、圧電・電歪体504、上電極506の層構成を投影図的に表したものである。
FIG. 4 is a partially enlarged view of the printer head as viewed from above, and shows the layer configuration of the
主要な構成等は実施例1と同等なため説明は省略する。 Since the main configuration is the same as that of the first embodiment, the description is omitted.
本実施例における特徴は、下電極505、圧電・電歪体504、上電極506の形状がそれぞれ異なる櫛歯形状で配設され、特に圧電・電歪体504は個別液室502の配列方向に垂直に連続してパターニングされている。
The feature of the present embodiment is that the
本構成をとることで少なくとも圧電・電歪体504のパターニング精度が必要なくなるため、製造工程上の簡易化が図れる。
By adopting this configuration, at least the patterning accuracy of the piezoelectric /
以下、本発明に係る圧電/電歪アクチュエータを用いたオンデマンドインクジェットプリンタヘッドの他の実施例について図5を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, another embodiment of the on-demand inkjet printer head using the piezoelectric / electrostrictive actuator according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図5は、プリンタヘッドを上部から見たときの一部拡大図であり、下電極505、圧電・電歪体504、上電極506の層構成を投影図的に表したものである。
FIG. 5 is a partially enlarged view of the printer head as viewed from above, and shows the layer structure of the
主要な構成等は実施例1と同等なため説明は省略する。 Since the main configuration is the same as that of the first embodiment, the description is omitted.
本実施例における特徴は、下電極505、圧電・電歪体504、上電極506の形状がほぼ同等のフィッシュボーン形状で配設されていることである。
A feature of the present embodiment is that the
上記実施例と同様に下電極605、圧電・電歪体604、上電極606はそれぞれに対応した位置にフィッシュボーン形状となるようマスクを介して積層してパターニングされる。
Similar to the above-described embodiment, the
ここでも下電極605、圧電・電歪体604、上電極606は、下電極605と上電極606のショートを避ける為、各櫛歯一本一本の太さが、下電極605<上電極606≦圧電・電歪体1604となるよう構成される。
Here again, the
本構成の場合、下電極及び上電極の共通電極部が個別液室602の上部にくるようにパターニングされるが細いため個別液室602の長手方向への撓みはほとんど発生しない。
In the case of this configuration, the common electrode portion of the lower electrode and the upper electrode is patterned so as to be on the upper part of the individual
下電極、圧電・電歪体、及び上電極の形状は図6、図7のようなフィッシュボーン形状であってもよいし、これに限るものではない。 The shape of the lower electrode, the piezoelectric / electrostrictive body, and the upper electrode may be a fishbone shape as shown in FIGS. 6 and 7, but is not limited thereto.
101、201 基体
102、202 個別液室
103、203 振動板
104、204 圧電/電歪素子
105、205 下電極
106、206 上電極 インク供給流路
107、207 吐出口(ノズル)
108、208 共通液室
109 : 絞り
C 共通電極部
D インク液滴
S 駆動電源
L 個別液室の長さ
W 個別液室の幅
l 電歪縦幅
w 電歪横幅
P 電歪領域
101, 201 substrate
102, 202 Individual liquid chamber
103, 203 Diaphragm
104, 204 Piezoelectric / electrostrictive element
105, 205 Lower electrode
106, 206 Upper electrode Ink supply flow path
107, 207 Discharge port (nozzle)
108, 208 Common liquid chamber
109: Aperture
C Common electrode section
D ink droplet
S drive power supply
L Length of individual liquid chamber
W Individual liquid chamber width l Electrostrictive vertical width w Electrostrictive horizontal width
P Electrostrictive region
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006342518A JP2008149662A (en) | 2006-12-20 | 2006-12-20 | Piezoelectric/electrostrictive actuator |
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Cited By (2)
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JP2015088581A (en) * | 2013-10-30 | 2015-05-07 | 株式会社リコー | Electromechanical conversion element, droplet discharge head, droplet discharge device, and image forming apparatus |
JP2016054199A (en) * | 2014-09-03 | 2016-04-14 | ローム株式会社 | Piezo electric element and ink jet head with the same |
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2006
- 2006-12-20 JP JP2006342518A patent/JP2008149662A/en not_active Withdrawn
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