JP2009083262A - Liquid transferring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体移送装置に関する。 The present invention relates to a liquid transfer apparatus.
現在、液体に圧力を付与して所定の位置に移送する液体移送装置が広く普及しており、その一形態であるインクジェットヘッドが知られている。 Currently, liquid transfer devices that apply pressure to a liquid and transfer it to a predetermined position are widely used, and an ink jet head that is one form thereof is known.
このインクジェットヘッドは、ノズルに連通する圧力室を有する流路ユニットと、この圧力室内のインクに圧力を付与する圧電アクチュエータとを備える。そして、この圧力室内のインクに圧力を付与することで、ノズルからインクを吐出することができるものである。 The ink jet head includes a flow path unit having a pressure chamber communicating with a nozzle, and a piezoelectric actuator that applies pressure to ink in the pressure chamber. The ink can be ejected from the nozzles by applying pressure to the ink in the pressure chamber.
このようなインクジェットヘッドに用いられる圧電アクチュエータには、様々な方式のものがあるが、その中でも変形効率の良いものとしてユニモルフ式の圧電アクチュエータが知られている。 There are various types of piezoelectric actuators used in such an ink jet head, and among them, unimorph type piezoelectric actuators are known as those having good deformation efficiency.
この圧電アクチュエータは、圧力室を覆う振動板と、この振動板に積層されるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で形成された圧電層と、この圧電層の面方向に延在する共通電極と、積層方向において、共通電極と圧電層を挟むように配置され、且つ圧力室の大きさに対応する位置に配置された個別電極とを有する。 The piezoelectric actuator includes a diaphragm covering the pressure chamber, a piezoelectric layer formed of lead zirconate titanate (PZT) laminated on the diaphragm, a common electrode extending in the surface direction of the piezoelectric layer, In the stacking direction, the common electrode and the piezoelectric layer are disposed so as to sandwich the individual electrode disposed at a position corresponding to the size of the pressure chamber.
そして、この個別電極に駆動電圧を印加することで、個別電極と平面視で重なる圧電層が面方向に収縮するように変形する。このとき、この圧電層の収縮により、圧電層が積層された振動板は、その中心を頂点にして、圧力室側に向けて凸となるように変形される。これにより、圧力室内の容積が減少して、圧力室内に圧力波が発生し、かかる圧力波が圧力室内の液体に付与されて、ノズルからインクが吐出される。 Then, by applying a drive voltage to the individual electrode, the piezoelectric layer overlapping the individual electrode in a plan view is deformed so as to contract in the plane direction. At this time, due to the contraction of the piezoelectric layer, the diaphragm on which the piezoelectric layer is laminated is deformed so as to be convex toward the pressure chamber side with the center as an apex. As a result, the volume in the pressure chamber decreases, a pressure wave is generated in the pressure chamber, the pressure wave is applied to the liquid in the pressure chamber, and ink is ejected from the nozzle.
このようなインクジェットヘッドは、近年、小型化や記録画像の高画質化を目的として複数のノズルが高密度に密集して配置される傾向にあり、これらのノズルと繋がる複数の圧力室についても高密度化されつつある。 In recent years, such inkjet heads tend to have a plurality of nozzles arranged densely and densely for the purpose of downsizing and high-quality recording images, and the pressure chambers connected to these nozzles are also high. It is becoming denser.
これにより、ある圧力室に配置される個別電極に駆動電圧が印加されて、圧電層及び振動板が変形したときに、この変形が、隣接する圧力室に対向する領域の圧電層及び振動板にまで伝播し、隣接する圧力室に連通するノズルのインク吐出特性を不安定にする現象(所謂、クロストーク)が無視できないものとなってきている。 As a result, when a driving voltage is applied to an individual electrode arranged in a certain pressure chamber and the piezoelectric layer and the diaphragm are deformed, this deformation is applied to the piezoelectric layer and the diaphragm in a region facing the adjacent pressure chamber. The phenomenon (so-called crosstalk) that causes the ink ejection characteristics of nozzles that propagate to the adjacent pressure chambers to become unstable cannot be ignored.
そこで、この対策として、特許文献1には、平面視で、圧力室14と重ならない領域にあって、この圧力室14の縁に沿った領域と重なるように溝36が形成された振動板30を備えたインクジェットヘッドが開示されている。
Therefore, as a countermeasure, in
このインクジェットヘッドの振動板30は、溝36が形成された領域では、他の領域に比べて厚さが薄くなる。この為、溝36が形成された領域では、他の領域に比べて剛性を小さくすることができる。これにより、かかる領域は変形し易くなるので、溝36が形成されていない場合に比べて、振動板30が変形し易くなる。従って、振動板30に溝36が形成されていないものに比べて、圧力室14の容積を変化させる際に消費する消費電力を抑えることができる。また、溝36が形成された振動板30では、溝36部分にて振動板30や圧電層31の変形が伝播し難くなっている為、隣接する圧力室14に変形が伝播するクロストークを防止することができる。
上記の特許文献1に記載されるインクジェットヘッドを製造する場合において、ステンレス鋼などの金属材料からなる振動板30に溝36を形成するときには、エッチングやプレス加工等といった周知の加工方法を用いることができる。
In manufacturing the ink jet head described in
しかし、このような加工方法により溝36を形成する場合に、設計時に設定した所望の大きさや位置に対して、誤差の生じたものが形成されることがある。そして、誤差が生じると振動板30の剛性(変形しやすさ)も設計時の所望の大きさに対して変化してしまう。この為、圧電アクチュエータを設計時に所望した変形特性とするには、振動板30の剛性の変化分を補うように、圧電層によって振動板30に加えられる力を調整しなければならない。
However, when the
ここで、振動板30に加えられる力を調整する方法としては、個別電極32に印加される駆動電圧の大きさを調整する方法や、圧電層31の物性の変更して圧電層31の変形特性を調整する方法が考えられるが、これらの方法を行うには、結局のところ設計当初とは異なる仕様にしなければならず、コスト高を招くという問題があった。
Here, as a method of adjusting the force applied to the
本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、製造時の誤差による変形特性の影響が少なく、製造コストを不必要に高騰させることのない液体移送装置の提供を目的とする。 The present invention has been made to solve this problem, and it is an object of the present invention to provide a liquid transfer apparatus that is less affected by deformation characteristics due to errors during manufacturing and does not unnecessarily increase manufacturing costs.
第1の発明の液体移送装置は、液体流入口及び液体流出口と連通する圧力室が所定の面に開口するように形成された流路ユニットと、この流路ユニットの一表面に、前記圧力室を覆うように設けられる圧電アクチュエータと、を備えた液体移送装置において、前記圧電アクチュエータは、前記圧力室の前記開口を塞ぐように前記流路ユニットの前記所定に面に固着される振動板と、この振動板に積層される圧電層と、この圧電層の一方の面側において、平面視で前記圧力室と重なる領域に形成された第1の電極と、前記圧電層の他方の面側において、少なくとも前記第1の電極と対向する領域に形成された第2の電極と、を備え、前記圧電材料層の収縮により前記振動板をユニモルフ変形させるものであり、前記振動板は、前記流路ユニットと反対側の面に凹部を有しており、この凹部は、平面視で、前記第1の電極とは重複しない領域に、前記圧力室の内側に対応する位置から前記圧力室の外側に対応する位置までを占める幅をもって形成されていることを特徴とするものである。 According to a first aspect of the present invention, there is provided the liquid transfer device, wherein the liquid inlet and the pressure chamber communicating with the liquid outlet are formed to open on a predetermined surface, and the pressure is applied to one surface of the flow path unit. A piezoelectric actuator provided to cover the chamber, wherein the piezoelectric actuator includes a diaphragm fixed to the predetermined surface of the flow path unit so as to close the opening of the pressure chamber; A piezoelectric layer laminated on the diaphragm; a first electrode formed in a region overlapping with the pressure chamber in plan view on one surface side of the piezoelectric layer; and on the other surface side of the piezoelectric layer. A second electrode formed in a region facing at least the first electrode, and the diaphragm is unimorph-deformed by contraction of the piezoelectric material layer, the diaphragm being the flow path unit A concave portion is provided on the opposite surface, and the concave portion corresponds to the outside of the pressure chamber from a position corresponding to the inside of the pressure chamber in a region not overlapping with the first electrode in plan view. It is formed with the width which occupies to a position.
第2の発明の液滴移送装置は、前記第1の発明において、前記凹部は、平面視で前記圧力室を取り囲むように延在していることを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the concave portion extends so as to surround the pressure chamber in a plan view.
第3の発明の液滴移送装置は、前記第1又は第2の発明において、前記凹部は、平面視で前記圧力室と重複する第1の部分と前記圧力室の外側に重複する第2の部分とを有することを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the concave portion has a first portion that overlaps the pressure chamber in a plan view and a second portion that overlaps the outside of the pressure chamber. And a portion.
これらの発明によれば、振動板に凹部を形成したことにより、振動板が変形し易くなっている。この為、振動板は、圧電層が収縮変形させられたときに、圧力室側に凸となる変形量が、凹部が形成されていない場合に比べて大きくなる。また、ユニモルフ変形する圧電アクチュエータの変形特性は、圧電層の収縮しやすさと振動板の流路ユニットに対する屈曲しやすさの2つの要因に影響されるものであるが、本発明は、凹部が、前記第1の電極とは重複しない領域に、前記圧力室の内側に対応する位置から前記圧力室の外側に対応する位置までを占める幅をもって形成されていることによって、製造時に凹部の位置ずれが生じても、先の2つの要因の変化が少なくなるため、製造誤差による圧電アクチュエータの変形特性の変動を抑えることができる。 According to these inventions, the diaphragm is easily deformed by forming the concave portion in the diaphragm. For this reason, when the piezoelectric layer is contracted and deformed, the amount of deformation of the diaphragm that protrudes toward the pressure chamber becomes larger than that when no recess is formed. In addition, the deformation characteristics of the unimorph-deformed piezoelectric actuator are affected by two factors, namely, the ease of contraction of the piezoelectric layer and the ease of bending of the diaphragm with respect to the flow path unit. In the region that does not overlap with the first electrode, a width that occupies from a position corresponding to the inside of the pressure chamber to a position corresponding to the outside of the pressure chamber is formed, so that the displacement of the concave portion during manufacturing can be prevented. Even if it occurs, the change in the two previous factors is reduced, so that variation in the deformation characteristics of the piezoelectric actuator due to manufacturing errors can be suppressed.
尚、本発明において、「平面視」とは、「流路ユニットの所定の面」や「振動板の流路ユニットと固着される面」と直交する方向から見ることと同義である。 In the present invention, “plan view” is synonymous with viewing from a direction orthogonal to “a predetermined surface of the flow path unit” and “a surface fixed to the flow path unit of the diaphragm”.
第4の発明の液体移送装置は、前記第1〜第3の何れかの発明において、前記流路ユニットは、前記圧力室を複数備え、さらに、これら複数の圧力室は所定の方向に並んで配置されるものであって、前記振動板は、平面視で、これら複数の圧力室の各々と重なる前記凹部を複数備え、前記所定の方向において互いに隣接して並ぶ2つの前記圧力室の間には、一方の圧力室に属する凹部と他方の圧力室に属する凹部が形成されるとともに、これら2つの凹部は、互いに繋がることなく、凹部が形成されていない丘部によって区画されていることを特徴とする。 In a liquid transfer device according to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the flow path unit includes a plurality of the pressure chambers, and the plurality of pressure chambers are arranged in a predetermined direction. The diaphragm is provided with a plurality of the concave portions overlapping each of the plurality of pressure chambers in a plan view, and is disposed between two pressure chambers arranged adjacent to each other in the predetermined direction. Is characterized in that a concave portion belonging to one pressure chamber and a concave portion belonging to the other pressure chamber are formed, and these two concave portions are not connected to each other and are partitioned by a hill portion where no concave portion is formed. And
この発明によれば、振動板と流路ユニットとを接合するため、振動板を流路ユニットと反対の面から治具で押圧する際に、押圧力を十分に確保し、接合を確実になすことができる。つまり、2つの凹部は治具と接触しないためこの部分を押圧することはできないが、2つの凹部の間に形成された丘部は、治具により押圧することができるので、押圧力を確保することができるのである。 According to the present invention, in order to join the diaphragm and the flow path unit, when the diaphragm is pressed from the surface opposite to the flow path unit with the jig, a sufficient pressing force is secured to ensure the joining. be able to. In other words, since the two concave portions do not contact the jig, it is not possible to press this portion, but the hill formed between the two concave portions can be pressed by the jig, so that the pressing force is ensured. It can be done.
第5の発明の液体移送装置は、前記第4の発明において、前記丘部には、前記2つの凹部と繋がることなく前記所定の方向と直交する方向に延在する補助凹部が形成されていることを特徴とする。 In the liquid transfer device according to a fifth aspect, in the fourth aspect, the hill portion is formed with an auxiliary recess that extends in a direction orthogonal to the predetermined direction without being connected to the two recesses. It is characterized by that.
この発明によれば、隣接する2つの圧力室の間には、2つの凹部と補助凹部の計3つの凹部が存在することとなる。よって、2つの圧力室の一方に対応する振動板の変形が、他方の圧力室に対応する部分まで伝播するクロストークを防止する効果をより一層向上させることができる。 According to the present invention, a total of three recesses, that is, two recesses and an auxiliary recess, exist between two adjacent pressure chambers. Therefore, it is possible to further improve the effect of preventing the crosstalk that propagates to the portion corresponding to the other pressure chamber by the deformation of the diaphragm corresponding to one of the two pressure chambers.
第6の発明の液体移送装置は、前記第1〜第5の発明において、前記第1の電極及び前記第2の電極は、前記圧電層にその厚み方向に平行な電界を付与するためのものであり、前記圧電層は、前記厚み方向に分極されていることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fifth inventions, the first electrode and the second electrode are for applying an electric field parallel to the thickness direction to the piezoelectric layer. The piezoelectric layer is polarized in the thickness direction.
本発明は、製造時の誤差による変形特性の影響が少なく、製造コストを抑えた液滴移送装置を提供することができる。 The present invention can provide a droplet transfer device that is less affected by deformation characteristics due to errors during manufacturing and that has reduced manufacturing costs.
本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態は、液体移送装置として、記録用紙にインクを噴射するインクジェットヘッドに本発明を適用した一例である。 A first embodiment of the present invention will be described. This embodiment is an example in which the present invention is applied to an inkjet head that ejects ink onto a recording sheet as a liquid transfer device.
まず最初に、インクジェットヘッド1を備えたインクジェットプリンタ100について、図1を参照して説明する。
First, an
図1に示すインクジェットプリンタ100は、図中に示す矢印の走査方向に往復移動可能なキャリッジ101と、このキャリッジ101に搭載されるもので、記録用紙Pと対向するように設けられたノズル20(図2〜5参照)からインク滴を吐出するインクジェットヘッド1と、図中の矢印に示す紙送り方向へ記録用紙Pを搬送する搬送ローラ102等と備えている。
An
そして、このインクジェットプリンタ100は、記録を行う際には、インクジェットヘッド1を走査方向に往復移動させつつ、ノズル20から記録用紙Pへ向けてインク滴を吐出する。そして、インクジェットヘッド1により記録された記録用紙Pは、搬送ローラ102により紙送り方向へ排出される。
The
次に、インクジェットヘッド1について図2〜5を参照して説明する。
Next, the
まず、図2に示すように、インクジェットヘッド1は、紙送り方向に複数並んで配置される複数のノズル20と各々連通される圧力室14等を有する流路ユニット2と、この流路ユニット2の上面に積層された圧電アクチュエータ3と、を備える。
First, as shown in FIG. 2, the
そして、図2に示すように、流路ユニット2は、ノズル20は紙送り方向に複数並んで配置され、これら複数のノズル20と各々連通される圧力室14も、複数のノズル20と同様に紙送り方向に並んで配置される。また、これらの圧力室14と連通するマニホールド17は、紙送り方向に延在して配置され、マニホールド17と図示しないインクタンクとの間に形成されるインク供給口18を備える。また、圧電アクチュエータ3は、流路ユニット2と接合される面と直交する方向から見て(平面視)、圧力室14に夫々重なる個別電極32(第1の電極)を複数備え、これら個別電極32を囲むように凹部37が各々形成されている。また、個別電極32は、平面視で、ノズル20と重なる一方の端とは反対側の他方の端には、端子部35が設けられている。この端子部35には、フレキシブルプリント配線板等の可撓性を有する配線部材を介してドライバIC(図示省略)が接続されており、ドライバICから端子部35を介して夫々の個別電極32に対して選択的に駆動電圧が供給される。
As shown in FIG. 2, in the
次に、図2にて説明したインクジェットヘッド1について、図2の一部を拡大した図3を参照して説明する。
Next, the
インクジェットヘッド1は、平面視で一方の端がノズル20と連通する連通孔16、及び19と繋がり、他方の端がマニホールド17と連通する連通孔15と連通する圧力室14を有する。また、凹部37は、平面視で圧力室14の内側と重なる部分と、圧力室14の周縁部分から外側と重なる部分を備える。さらに、圧力室14の内側と重なる部分には、凹部37と重ならないように個別電極32が配置されている。
The
ここで、凹部37は、平面視で圧電アクチュエータ3の一部である振動板30(後述にて説明)に形成される凹部36と同様の形状である。その為、凹部36は、平面視で圧力室14の内側と重なる部分から圧力室14の外側と重なる部分に延在する部分を有する。そして、凹部36の延在方向と直交する方向の長さを凹部36の幅とする。
Here, the
また、インクジェットヘッド1について、図3に示すI−I線におけるインクジェットヘッド1の断面である図4を参照して説明する。
The
まず、流路ユニット2について説明する。図4に示すように、流路ユニット2はキャビティプレート10、ベースプレート11、マニホールドプレート12、及びノズルプレート13を備えており、これら4枚のプレート10〜13が積層されて接着される。このうち、キャビティプレート10、ベースプレート11及びマニホールドプレート12はステンレス鋼製の板であり、これら3枚のプレート10〜12に、後述するマニホールド17や圧力室14等のインク流路をエッチングにより容易に形成することができるようになっている。また、ノズルプレート13は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート12の下面に接着される。あるいは、このノズルプレート13も、3枚のプレート10〜12と同様にステンレス鋼等の金属材料で形成されていてもよい。
First, the
次に、これら4枚のプレート10〜13について説明する。図4に示すように、積層方向における最下層に配置されるノズルプレート13には、ノズル20が形成されている。このノズル20は、ポリイミド等の高分子合成樹脂の基板にエキシマレーザー加工を施すことにより形成される。また、このノズル20は、ノズルプレート13と接合されるマニホールドプレート12に形成された連通孔19と連通されている。また、このマニホールドプレート12には、前述したマニホールド17が形成されている。さらに、積層方向において、マニホールドプレート12と接合されるベースプレート11には、マニホールド17と連通される連通孔15、及び連通孔19と連通される連通孔16を有する。そして、ベースプレート11と接合されるキャビティプレート10は、一端が連通孔15と連通し、他端が連通孔16と連通する圧力室14が開口している。また、キャビティプレート10には、ベースプレート11と接合される面とは反対側の面に、圧電アクチュエータ3が接合されている。
Next, these four
次に、圧電アクチュエータ3について説明する。図4に示すように圧電アクチュエータ3は、キャビティプレート10と接合される振動板30と、この振動板30の上面に積層される絶縁層33とを有し、さらに、この絶縁層33に積層される共通電極34(第2の電極)と、この共通電極34及び絶縁層33に積層される圧電層31、及びこの圧電層31を共通電極34と挟むように圧電層31の上面に配置された個別電極32とを備える。ここで、振動板30とキャビティプレート10とは熱硬化樹脂などを用いて接合される。また、振動板30の圧力室14と反対側の面には、絶縁層33が形成されている。この絶縁層33は、化学蒸着(Chemical Vapor Deposition:CVD)法や、エアロゾルデポジション法(AD法)あるいは、スパッタ法等によりアルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料などを振動板30の表面に堆積させることにより形成される。また、この絶縁層33には、平面視で圧力室14と重なる部分に共通電極34が配置されている。そして、共通電極34及び絶縁層33の表面には圧電層31が形成されている。この圧電層31は、CVD法や、AD法等により、圧電材料の粒子を絶縁膜33及び共通電極34の表面に堆積させることにより形成される。また、この圧電層31は、図4の図中矢印の積層方向に分極処理が施されている。ここで、この圧電層31を駆動させるときには、個別電極32と共通電極34により積層方向に電界が付与される。これにより、圧電層31が振動板30の平面に沿う方向に収縮変形する。この収縮変形により、振動板30を圧力室14側に撓ませて凸変形させて、圧力室14の容積を変形させるユニモルフ変形をする。
Next, the
さらに、図3に示すインクジェットヘッド1のII−II線の断面である図5を参照して説明する。
Further, a description will be given with reference to FIG. 5 which is a cross section taken along the line II-II of the
ここで、図5では、紙送り方向に並ぶ複数の圧力室14を区画する部分を隔壁10aと称する。まず、キャビティプレート10に接合される振動板30には、キャビティプレート10と接合する面とは反対側に凹部36が形成されている。また、この振動板30と絶縁層33を挟んで積層される圧電層31には、凹部37が形成されている。また、凹部36及び37は、図3に示すように各圧力室14にそれぞれ配置されており、隣接する凹部36及び37は離れて配置されている。その為、振動板30は、図5のII−II線の断面視で(以下「断面視」という)、凹部36及び37が形成されていない部分と同じ厚さとなる丘部38を有する。このように丘部38が存在することで、振動板30とキャビティプレート10との接合の際に、キャビティプレート10に向けて振動板30を押圧する場合、凹部36が形成されていない部分に加えて丘部38にも接合するための冶具を当てて押圧する力を加えることができる。これにより、隔壁10aと接合される接合面に押圧する力を加えることができるので、振動板30と隔壁10aとを確実に接合することができる。
Here, in FIG. 5, a portion that partitions the plurality of
次に、振動板30に形成された凹部36及び圧電層31に形成された凹部37について、図6を参照して説明する。
Next, the
図6は、キャビティプレート10に属する隔壁10a付近を拡大した断面図である。図6に示すように、断面視で凹部36の中心線と隔壁10aの中心線との間の距離39が所定の大きさだけ離れているときに、凹部36は平面視で圧力室14と重なる部分40(第1の部分)と、隔壁10aと重なる部分41(第2の部分)とを備える。そして、凹部36の大きさが一定の場合、凹部36の配置される位置により、平面視で部分40と41の面積は変化する。例えば、隔壁10aの中心位置から凹部36の中心位置が離れた場合(距離39が大きくなる)、部分40は大きくなるが、部分41は小さくなる。また、凹部36の中心位置が隔壁10aの中心位置に近づいた場合(距離39が小さくなる)、部分40は小さくなるが、部分41は大きくなる。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the
上記のように、凹部36の部分40と41の大きさを決める要因として、振動板30に凹部36を形成する際に配置を決める。そして、エッチングなどで所望の位置に凹部36を形成した後で、振動板30とキャビティプレート10を接合する。この接合時に、振動板30若しくはキャビティプレート10の面に沿う方向に力が加わってしまい、所望の接合位置からずれて接合されてしまうことがある。これにより、凹部36も所望の位置からずれて配置されてしまう為、部分40と41の面積が設計当初の大きさから変わってしまうという問題がある。そして、この部分40と41の面積が変化してしまうと、振動板30の撓み易さが変化してしまうことが考えられる。
As described above, as a factor for determining the sizes of the
この為、振動板30とキャビティプレート10の接合時には、厳しい寸法管理を実施して製造をしている。また、振動板30とキャビティプレート10とが接合時にずれてしまった場合を想定して、振動板30以外の部品については、何種類かの仕様の異なる部品を用意していた。そして、振動板30を接合した後で、振動板30の撓み易さをチェックし、このチェック結果に基づいて、部品を選択していた。これにより、インクジェットヘッド1は、設計当初の所望の性能を得ることができた。
For this reason, when the
しかし、設計時の所望の性能を得るために、数種類の部品を用意しなければならず、コストがかかるという問題があった。また、振動板30の剛性をチェックする検査工程を設ける必要がある為、製造工程が増えてしまい、製造時間が余分にかかるという虞もある。このことから、振動板30が設計当初の所望の位置からずれて接合されたとしても、製造されたインクジェットヘッド1の吐出性能が変化しなければ、上記の問題を解消できると考えられる。
However, in order to obtain a desired performance at the time of designing, there are problems that several types of parts must be prepared and cost is increased. In addition, since it is necessary to provide an inspection process for checking the rigidity of the
そこで、本出願人は、凹部36の位置と性能(変形特性)との関連を調べるために、振動板30に凹部36が形成された圧電アクチュエータについて、凹部36の個数と駆動方式の異なる3種類のモデルを選定し、これらのモデルについてシミュレーションを行った。
Therefore, in order to investigate the relationship between the position of the
具体的には、各モデルの圧電アクチュエータについて、凹部36の形成される位置と大きさをパラメータとして変化させるとともに、それぞれの場合において、所定の駆動電圧を印加したときの圧電アクチュエータの圧力室側に変形する変形量(圧電アクチュエータの変形特性)を求めたものである。また、振動板30の接合時のずれ量は、設計時に凹部36の中心を配置する予定の位置と、接合後に配置された凹部の中心との間の長さである。
Specifically, for each model of piezoelectric actuator, the position and size of the
ここで、本シミュレーションについて説明する。まず最初に、本シミュレーションの方法、及び解析条件について説明する。本シミュレーションでは、一般的な手法である有限要素法を用いて解析を行った。また、モデルとなる圧電アクチュエータの仕様については下記の表1のように設定した。 Here, this simulation will be described. First, the simulation method and analysis conditions will be described. In this simulation, the analysis was performed using the finite element method which is a general method. The specifications of the model piezoelectric actuator were set as shown in Table 1 below.
次に、解析を行う圧電アクチュエータの3種類のモデルについて図6〜10を参照して説明する。
Next, three types of models of the piezoelectric actuator for analysis will be described with reference to FIGS.
モデル1は、図6〜図8に示したものであり、ユニモルフ変形をする圧電アクチュエータ(以下「ユニモルフ型」)において隣接する圧力室14の間に凹部36が対称的に2つ形成されたものである。そして、凹部36の位置を、圧力室14と隔壁10aに跨って重なるようにした場合(図6、本発明の第1実施形態)と、圧力室14にのみ重なるようにした場合(図7、本発明の第1実施形態の比較例)と、隔壁10aのみに重なるようにした場合(図8、本発明の第1実施形態の比較例)とをとりえるように、その位置を変化させた。
モデル2は、図9及び図10に示したものであり、ユニモルフ変形をする圧電アクチュエータにおいて隣接する圧力室14の間に凹部36が1つ形成されたものである。そして、凹部36の大きさを、隔壁10aと隣接する2つの圧力室14とに跨って重なるように大きく形成した場合(図9、本発明の別の実施形態)と、隔壁10aのみに重なるように小さく形成した場合とをとりえるように、その大きさを変化させた。
The
モデル3は、振動板の圧力室と対向する部分に積層された複数の圧電層が圧電縦効果で変形し、この変形をダイレクトに受けて振動板が変形する圧電アクチュエータ(以下「積層型」という。)において、モデル1と同様に、隣接する圧力室14の間に凹部36が対称的に2つ形成されたものである。より具体的には、振動板が図6〜8の振動板30と同じ構造であり、圧電層が、振動板の圧力室に対向する部分の中央にのみ積層された状態で存在し、隔壁10a付近、すなわち溝36が形成された部分には一切存在しない構造である。
The
次に、解析した結果を説明する。まず、モデル1について、凹部36の幅が30μm一定のもので、凹部36の中心位置と隔壁10aの中心位置との間の距離39を5μmずつ変化させて配置させた場合についてそれぞれ解析を行った。このときに、凹部36の中心位置が設計当初の所望の位置から±5μmずれて配置された時の圧力室14の変形量の増加率について、以下の表2、3に示す。以下の表2は、凹部36の中心位置が圧力室14側に5μmずれて配置された場合の解析結果を示すものであり、表3は、凹部36の中心位置が隔壁10a側に5μmずれて配置された場合の解析結果を示すものである。
Next, the analysis result will be described. First, the
ここで、凹部36の配置位置がずれた場合のA〜C区間内の変形量の増加率を比較する。図11、12に示すように、凹部36が圧力室14側に5μmずれて配置された場合と隔壁10a側に5μmずれて配置された場合について、A区間に比べてB区間のほうが、圧力室14の変形量の増加率は小さくなることがわかった。また、B区間では、C区間に比べても変形量の増加率は小さくなることも分かった。即ち、B区間のように図6に示すような凹部36の形状では、圧力室14の変形量の増加率が小さくなることがわかった。また、B区間の範囲内では、凹部の中心が隔壁10aの中心から40μm離れた位置に配置された場合は、変位量の増加率が0.3%と最も小さくなることがわかった。この40μmのときは、断面視で領域41のほうが領域40よりも大きくなる。
Here, the increasing rate of the deformation amount in the A to C section when the arrangement position of the
次に、図9、10に示すモデル2について、凹部36の中心位置が隔壁10aの中心位置から圧力室14側若しくは隔壁10a側に5μmずれて配置された場合の解析を行った。この解析では、断面視で凹部36の大きさが30μm〜140μmの範囲内で5μmずつ変化させたものをサンプルとして用いた。この解析結果について以下の表4、5に示す。表4は、凹部36の中心位置が圧力室14側に5μmずれて配置された場合の変形量の増加率を示す図であり、表5は、凹部36の中心位置が隔壁10a側に5μmずれて配置された場合の変形量の増加率を示す図である。また、表4に示す凹部の大きさとは、図9、10に示す距離42である。
Next, for the
また、上記の表4、5についてグラフにしたものを図13、14に示す。図13、14において、凹部の大きさの設計値が0μm〜34.33μmまでの区間(以下「D区間」という。)は、凹部36が図10に示すように配置された場合であり、34.34μm以上(以下「E区間」という。)の場合は、凹部36が図9に示すように配置された場合である。
Moreover, what was made into the graph about said Table 4, 5 is shown in FIG. 13 and 14, a section (hereinafter referred to as “D section”) in which the design value of the size of the recess is 0 μm to 34.33 μm is a case where the
ここで、図13、14についてD、E区間での圧力室14の変形量の増加率を比較する。図13、14に示すように双方の何れの解析結果についても、E区間に比べてD区間の場合のほうが、変形量の増加率が小さくなることがわかった。また、凹部36が圧力室14側に5μmずれて配置された場合は、変形量の増加率は0.3%と最も小さくなる。また、凹部36が隔壁10a側に5μmずれて配置された場合でも、変形量の増加率は0.3%となる。
Here, the increasing rate of the deformation amount of the
次に、積層型の圧電アクチュエータであるモデル3について解析を行った。振動板30のずれ量は、凹部36の中心位置が隔壁10aの中心位置から圧力室14側及び隔壁10a側に5μmずれて配置された場合の2つの条件で解析した。さらに、積層型のモデル3については、さらに構成の異なる2種類のモデルを解析に用いた。1つは、振動板30と反対側に拘束層が配置された圧電層31を用いたもの(以下、モデル3−1という)で、もう1つは拘束層が設けられていない圧電層31を用いたもの(以下、モデル3−2という)である。
Next, an analysis was performed on
以下の表6、7には、拘束層を有するモデル3−1の解析結果を示し、以下の表8、9には、拘束層がないモデル3−2の解析結果を示す。 Tables 6 and 7 below show the analysis results of the model 3-1 having the constrained layer, and Tables 8 and 9 below show the analysis results of the model 3-2 without the constraining layer.
ここで、以上の解析結果に基づいて、ユニモルフ型(モデル1)と積層型(モデル3−1,3−2)を比較する。前述のように、積層型では、振動板30の接合時にずれが生じても、圧力室14の変形量は変化しないことがわかった。しかし、ユニモルフ型では、凹部36が圧力室14側に5μmずれて配置された場合に、上記の表2に示すように、A〜C区間の全範囲において、圧力室14の変形量の増加率は0.3%〜9.1%も変化する。また、凹部36が隔壁10a側に5μmずれて配置された場合でも、表3に示すように、圧力室14の変形量の増加率は0.3%〜8.4%も変化する。このことから、ユニモルフ型は、積層型に比べて、凹部36の配置位置が変わると、圧力室14の変形量が変化しやすいことがわかった。
Here, based on the above analysis results, the unimorph type (model 1) and the laminated type (models 3-1 and 3-2) are compared. As described above, in the laminated type, it has been found that the deformation amount of the
次に、振動板30に凹部36が形成された場合に、凹部36が形成されていないものに比べて増加する圧力室14の変形量の増加率を解析した。この解析結果について以下の表10〜13に示す。表10は、図6〜8に示すモデル1のように配置させた場合であり、表11は、図9〜10に示すモデル2のように配置させた場合のものである。また、表12は、モデル3−1の解析結果であり、表13は、モデル3−2の解析結果である。
Next, the increase rate of the deformation amount of the
まず、ユニモルフ型の変形量の増加率について、表10、11及び図19、20を参照して説明する。表10、図19に示すように、圧力室14の変形量の増加率は、A〜C区間内で振動板30に凹部36が形成されていない場合に比べて32.5%〜95.9%も増加することがわかった。また、凹部36の中心位置が隔壁10aの中心から35μmのときには、変形量の増加率が最も大きいことが分かる。また、モデル2では、表11、図20に示すように、D、E区間内で圧力室14の変形量の増加率が32.5%〜96.4%も増加することがわかった。
First, the increasing rate of the deformation amount of the unimorph type will be described with reference to Tables 10 and 11 and FIGS. As shown in Table 10 and FIG. 19, the rate of increase in the deformation amount of the
次に、積層型の変形量の増加率について、表12、13及び図21、22を参照して説明する。表12、図21に示すように、圧力室14の変形量の増加率は、振動板30に凹部36が形成されていないものに比べて0.2%〜0.7%の増加が確認された。また、表13、図22に示すように、圧力室14の変形量は1.4%〜8.6%の増加が確認された。
Next, the increasing rate of the deformation amount of the stacked type will be described with reference to Tables 12 and 13 and FIGS. As shown in Table 12 and FIG. 21, the increase rate of the deformation amount of the
上記の解析結果から、ユニモルフ型は、積層型に比べて振動板30に凹部36が形成された場合に、圧力室14の変形量が増加することがわかった。このように、ユニモルフ型では、振動板30を撓ませて変形させる為、振動板30の剛性により圧力室14側に凸変形する変形量が変わると考えられる。しかし、積層型については、圧電層31が振動板30の平面と直交する方向に変形する変形量により、振動板30が圧力室14側に凸変形する変形量が決まると考えられる。
From the above analysis results, it was found that the deformation amount of the
また、上記の解析結果から、ユニモルフ型では、振動板30に凹部36が形成されたものの方が、振動板30に凹部36が形成されていないものに比べて、圧力室14の変形量が大きくなることがわかった。また、凹部36の配置される位置によって、圧力室14の変形量が大きく変化することもわかった。このような解析結果となった理由について説明する。
Further, from the above analysis results, in the unimorph type, the deformation amount of the
ユニモルフ型では、圧力室14の変形量である変形特性は、圧電層31の収縮し易さと振動板30の屈曲し易さによって変化する。圧電層31の収縮し易さとは、個別電極32に所定の電圧を印加したときに、圧電層31が平面方向に収縮する変形量がどれだけ大きいかを示すものである。また、振動板30の屈曲し易さとは、振動板30の表面と直交する方向に所定の力を加えたときに、振動板30が圧力室14側に変形する量がどれだけ大きいかを示すものである。
In the unimorph type, the deformation characteristic, which is the deformation amount of the
ここで、本解析結果と変形特性との関係について、図23〜25を用いて説明する。 Here, the relationship between the analysis result and the deformation characteristics will be described with reference to FIGS.
図23〜25中の実線で示す図は、振動板30が設計当初の所望の位置に接合された場合であり、破線で示す図は、接合時に振動板30が圧力室14側に位置ずれした場合のものである。また、位置ずれが生じた場合の条件として、位置ずれが生じたときであっても凹部36の重なる対象が変化しないものに限る。さらに、図中の個別電極32に駆動電圧を印加したときには、凹部36の右側の圧電層31が右側に収縮変形する。
23 to 25 are diagrams in the case where the
まず、圧電層31の収縮量の変化について検討する。図23〜25に示す圧電層31は、図に示す個別電極32に駆動電圧が印加させることで、図中右側に収縮変形する。ここで、まず図23に示す凹部36が隔壁10aと重なる部分のみを有するように配置した場合について説明する。振動板30が位置ずれなく配置されたときに、この圧電層31は、圧力室14と重なる部分と隔壁10aと重なる部分を備える。そして、隔壁10aと重なる部分では、振動板30と隔壁10aとが接合されているため、この接合面により振動板30の変形が拘束される。しかし、圧力室14と重なる部分では、振動板30と隔壁10aとが接合されていないので、振動板30の変形は拘束されない。このことから、圧電層31は、圧力室14と重なる部分では変形し易いが、隔壁10aと重なる部分では隔壁10aに拘束されるため変形し難い。
First, the change in the contraction amount of the
ここで、圧電層31は、振動板30が図中右側にずれて接合された場合、位置ずれなく配置された場合に比べて、隔壁10aと重なる部分の大きさが小さくなる。この為、圧電層31の変形が拘束される部分が小さくなる。これにより、圧電層31は収縮変形し易くなる。
Here, in the
また、図24に示すように、凹部36が圧力室14と隔壁10aと重なる部分を有するように配置されたものでは、圧電層31は隔壁10aと重なる部分を有していない。また、振動板30の配置位置に位置ずれが生じたとしても、圧電層31は隔壁10aと重ならない。この為、圧電層31は、位置ずれが発生した場合であっても収縮変形のし易さは変化しない。
Further, as shown in FIG. 24, in the case where the
さらに、図25に示すように、凹部36が圧力室14と重なる部分のみを有するように配置されたものの場合も、振動板30の配置位置に位置ずれが生じたとしても、圧電層31は隔壁10aと重ならない為、圧電層31の収縮変形のし易さは変化しない。
Furthermore, as shown in FIG. 25, even in the case where the
以上より、振動板30を接合した際に位置ずれが生じたとしても、図23、24のように凹部36を配置するものであれば、位置ずれしなかったものに対して圧電層31の収縮変形は変わらないことがわかった。
As described above, even if the positional deviation occurs when the
次に、振動板30の撓み量の変化について検討する。まず、図23に示す凹部36が隔壁10aと重なる部分のみを有するように配置した場合について説明する。図23に示すように、振動板30とキャビティプレート10とを接合したときに、振動板30と隔壁10aと圧力室14との境界上には拘束部50が存在する。そして、振動板30に所定の力が加わったときには、拘束部50を支持部にして隔壁10aの右側の部分が撓む。また、このような振動板30の場合、断面視で拘束部50から振動板30の表面の所定位置までの厚さが最も短い部分が撓む。ここで、図23では、拘束部50から凹部36の所定位置53までの部分は最も厚さが小さい。かかる部分をくびれ部52と称する。
Next, a change in the deflection amount of the
図23に示すように、振動板30の接合時に位置ずれが生じた場合、凹部36は図中右側にずれて配置される。これにより、凹部36が拘束部50に接近する為、拘束部50から凹部36までの長さが短くなる。従って、振動板30が位置ずれして配置されたときのくびれ部54は、位置ずれしなかったときのくびれ部52に比べて小さくなる。これにより、くびれ部54の剛性は、くびれ部52よりも小さくなる為、振動板30は所望の位置に配置された場合に比べて屈曲し易くなる。
As shown in FIG. 23, when the positional deviation occurs when the
また、図24に示すように、凹部36が圧力室14と隔壁10aと重なる部分を有するように配置されたものでは、凹部36が位置ずれした場合であっても、平面視で凹部36は拘束部50に重なっている。この為、凹部36が拘束部50に近づいたり離れたりすることがない。この為、拘束部50から凹部36上の所定位置61までの大きさが変化しない。従って、くびれ部62の大きさは変化しないため剛性は変化せず、振動板30の屈曲のし易さも変わらない。
Further, as shown in FIG. 24, in the case where the
さらに、図25に示すように、凹部36が圧力室14と重なる部分のみを有するように配置されたものの場合、振動板30が図中右側にずれて配置されたときには、凹部36も右側にずれてしまう。これにより、凹部36が拘束部70から離れてしまう為、拘束部70から凹部36までの大きさが大きくなる。従って、位置ずれしたときのくびれ部74は、位置ずれをしなかったときのくびれ部72に比べて大きくなるため、剛性が大きくなる。これにより、振動板30は屈曲し難くなる。また、振動板30は、変形するときには、凹部36の一番薄い箇所が撓む。そして、位置ずれにより凹部36の一番薄い箇所が圧力室14の中心側にずれたときには、振動板30の撓みにより圧力室14側に陥没する領域が小さくなる。この為、圧力室14の容積の変形量が小さくなる。
Furthermore, as shown in FIG. 25, in the case where the
以上より、振動板30の配置位置に位置ずれが生じた場合であっても、図23に示すように凹部36を配置したものであれば、図24、25に示すように配置された凹部36に比べて、振動板30の撓み易さは変化し難いことがわかった。
As described above, even when the displacement of the arrangement position of the
上記のように、平面視で凹部36が圧力室14と重なる部分から隔壁10aと重なる部分まで延在する部分を備えたものは、振動板30の位置ずれが生じたとしても、圧電層31の収縮変形し易さと、振動板30の屈曲し易さの変化が少ないため、振動板30を接合した際に凹部36の配置位置がずれたとしても、圧力室14の変形量が変化し難い。この為、製造時に振動板30の配置位置に誤差が生じても、圧電アクチュエータの変形特性の変動を抑えることができる。
As described above, in the case where the
次に、前記第1実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、本実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。 Next, modified embodiments in which various modifications are made to the first embodiment will be described. However, components having the same configuration as in the present embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted as appropriate.
図26、27に示すように、第1実施形態のように凹部36が形成されたものにおいて、隣接する凹部36の間には、走査方向に延在する補助凹部80が形成されている(第1変更形態)。この第1変更形態は、隣接する凹部36の間に補助凹部80が設けられていない振動板30に比べて、インク滴を吐出する際に、振動板30の所望の圧力室14と重なる領域のみを変形させたときに、この変形が隣接する圧力室14と重なる領域まで伝播してしまうクロストークを防止することができる。
As shown in FIGS. 26 and 27, in the case where the
また、図9に示す凹部36Aのように、隔壁10aを跨って、隣接する2つの圧力室14と重なるように配置させてもよい(第2変更形態)。図28、29に第2変更形態の上面図と断面図を示す。上記の解析結果から、このような形状の凹部36Aであっても、凹部36Aに位置ずれが発声した場合でも、圧力室14の変形量の増加率を小さくすることができる。このことから、位置ずれに誤差が生じた場合であっても、圧電アクチュエータ3の変形特性の変動を抑えることができる。
Moreover, you may arrange | position so that two
ここで、上記にて圧電層31をAD法などにより形成する方法を説明したが、振動板30の凹部36が形成されていない領域にセラミックからなるシート材を積層し、焼成して作成してもよい。
Here, the method of forming the
また、上記にて説明した実施形態のインクジェットヘッド1は、記録用紙の幅方向に移動しつつ記録用紙に対してインクを噴射するシリアル型のヘッドであるが、記録用紙の全幅に亙って延びる複数のノズル列を有するライン型ヘッドのインクジェットプリンタにも、本発明は適用可能である。
The
さらに、前記実施形態及びその変更形態は、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドに本発明を適用した一例であるが、本発明を適用可能な液体移送装置はインクジェットヘッドに限られない。例えば、導電ペーストを噴射して基板上に微細な配線パターンを形成したり、あるいは、有機発光体を基板に噴射して高精細ディスプレイを形成したり、さらには、光学樹脂を基板に噴射して光導波路等の微小光学デバイスを形成する為の、種々の液体移送装置に本発明を適用できる。 Furthermore, although the said embodiment and its modification are examples which applied this invention to the inkjet head which discharges an ink from a nozzle, the liquid transfer apparatus which can apply this invention is not restricted to an inkjet head. For example, a conductive paste is sprayed to form a fine wiring pattern on the substrate, an organic light emitter is sprayed to the substrate to form a high-definition display, and an optical resin is sprayed to the substrate. The present invention can be applied to various liquid transfer apparatuses for forming a micro optical device such as an optical waveguide.
さらに、試薬、生体溶液、配線材料溶液、電子材料溶液、冷媒用、燃料用などインク以外の液体を移送する液体移送装置、及びこれらの液体を移送するノズルのない液体移送装置にも本発明を適用することが可能である。 Furthermore, the present invention is also applied to a liquid transfer device for transferring a liquid other than ink, such as a reagent, a biological solution, a wiring material solution, an electronic material solution, a refrigerant, and a fuel, and a liquid transfer device without a nozzle for transferring these liquids. It is possible to apply.
1 インクジェットヘッド
2 流路ユニット
3 圧電アクチュエータ
10a 隔壁
14 圧力室
15、16 連通孔
20 ノズル
30 振動板
31 圧電層
32 個別電極
33 絶縁膜
34 共通電極
36、37 凹部
38 丘部
40、40A 圧力室14と重なる部分
41、41A 隔壁10aと重なる部分
50、60、70 拘束部
80 補助凹部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
この流路ユニットの一表面に、前記圧力室を覆うように設けられる圧電アクチュエータと、
を備えた液体移送装置において、
前記圧電アクチュエータは、
前記圧力室の前記開口を塞ぐように前記流路ユニットの前記所定の面に固着される振動板と、
この振動板に積層される圧電層と、
この圧電層の一方の面側において、平面視で前記圧力室と重なる領域に形成された第1の電極と、
前記圧電層の他方の面側において、少なくとも前記第1の電極と対向する領域に形成された第2の電極と、を備え、前記圧電層の収縮により前記振動板をユニモルフ変形させるものであり、
前記振動板は、前記流路ユニットと反対側の面に凹部を有しており、
この凹部は、平面視で、前記第1の電極とは重複しない領域に、前記圧力室の内側に対応する位置から前記圧力室の外側に対応する位置までを占める幅をもって形成されていることを特徴とする液体移送装置。 A flow path unit formed such that a pressure chamber communicating with the liquid inlet and the liquid outlet opens on a predetermined surface;
A piezoelectric actuator provided on one surface of the flow path unit so as to cover the pressure chamber;
In a liquid transfer device comprising:
The piezoelectric actuator is
A diaphragm fixed to the predetermined surface of the flow path unit so as to close the opening of the pressure chamber;
A piezoelectric layer laminated on the diaphragm;
On one surface side of the piezoelectric layer, a first electrode formed in a region overlapping the pressure chamber in plan view;
A second electrode formed at least in a region facing the first electrode on the other surface side of the piezoelectric layer, and unimorph deformation of the diaphragm by contraction of the piezoelectric layer,
The diaphragm has a recess on a surface opposite to the flow path unit,
The concave portion is formed in a region that does not overlap with the first electrode in a plan view with a width that occupies from a position corresponding to the inside of the pressure chamber to a position corresponding to the outside of the pressure chamber. A liquid transfer device.
前記振動板は、平面視で、これら複数の圧力室の各々と重なる前記凹部を複数備え、
前記所定の方向において互いに隣接して並ぶ2つの前記圧力室の間には、一方の圧力室に属する凹部と他方の圧力室に属する凹部が形成されるとともに、これら2つの凹部は、互いに繋がることなく、凹部が形成されていない丘部によって区画されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液体移送装置。 The flow path unit includes a plurality of the pressure chambers, and the plurality of pressure chambers are arranged in a predetermined direction,
The diaphragm includes a plurality of the concave portions overlapping with each of the plurality of pressure chambers in a plan view,
A recess belonging to one pressure chamber and a recess belonging to the other pressure chamber are formed between the two pressure chambers arranged adjacent to each other in the predetermined direction, and the two recesses are connected to each other. The liquid transfer device according to claim 1, wherein the liquid transfer device is partitioned by a hill portion having no recess.
前記圧電層は、前記厚み方向に分極されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の液体移送装置。 The first electrode and the second electrode are for applying an electric field parallel to the thickness direction to the piezoelectric layer,
The liquid transfer device according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is polarized in the thickness direction.
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