JP2011016319A - Piezoelectric device, driving method of piezoelectric element, and liquid ejector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電装置、圧電素子の駆動方法、及び液体吐出装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric device, a piezoelectric element driving method, and a liquid ejection device.
電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電体と、圧電体に対して電圧を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電アクチュエータ等の用途に使用されている。圧電材料としては、PZT(ジルコンチタン酸鉛)、及びPZTのAサイト及び/又はBサイトの一部を他元素で置換したPZTの置換系が知られている。本明細書では、PZT及びその置換系を合わせて、「PZT系」と称す。 Piezoelectric elements that include a piezoelectric body that expands and contracts as the electric field application intensity increases and decreases and an electrode that applies a voltage to the piezoelectric body are used for applications such as piezoelectric actuators mounted on ink jet recording heads. . As a piezoelectric material, PZT (lead zirconate titanate) and a PZT substitution system in which part of the A site and / or B site of PZT is substituted with another element are known. In this specification, PZT and its substitution system are collectively referred to as “PZT system”.
特許文献1,2等には、圧電体の発熱により、インク温度が上昇したり、インク流路の体積が安定せず吐出が不安定になったり、圧電体自身の脱分極が起こったりするなどの問題が生じることが指摘されており、圧電体の放熱が有効であることが記載されている。
In
その一方で、圧電体は水分混入によって劣化することが知られている。特許文献3には、乾燥空気を用いて、圧電素子及びその近傍雰囲気の露点を外部環境の露点よりも低い値に保つことが提案されている(請求項1、段落0037)。しかしながら、特許文献3に記載の構造は複雑である。特許文献3の段落0037には、乾燥空気のボンベを用いることが記載されているが、小型のインクジェット式プリンタ等に搭載するには非現実的である。特許文献4には、発熱膜を用いて圧電体を加熱して水分を飛ばすことが提案されている(請求項1,2)。
On the other hand, it is known that the piezoelectric body deteriorates due to moisture mixing.
以上のように、従来は、圧電体の放熱が良いという考えがある一方で、圧電体の加熱が良いという背反する考えがあり、いずれが効果的であるか明らかではなかった。 As described above, in the past, while there was an idea that the heat dissipation of the piezoelectric body was good, there was a contradictory idea that the heating of the piezoelectric body was good, and it was not clear which was effective.
本発明者は、圧電素子の外部環境の温度及び湿度と、圧電体自身の温度と、圧電体の耐久性との関係に着目して、圧電体の好適な駆動条件を見出し、耐久性に優れた圧電装置と圧電素子の駆動方法を発明した。
すなわち、本発明は、耐久性に優れた圧電装置、及び耐久性に優れた圧電素子の駆動方法を提供することを目的とするものである。
The inventor has found a suitable driving condition of the piezoelectric body by focusing on the relationship between the temperature and humidity of the external environment of the piezoelectric element, the temperature of the piezoelectric body itself, and the durability of the piezoelectric body, and has excellent durability. Invented a piezoelectric device and a driving method of the piezoelectric element.
That is, an object of the present invention is to provide a piezoelectric device excellent in durability and a driving method of a piezoelectric element excellent in durability.
本発明の圧電装置は、
圧電体及び該圧電体に電圧を印加する電極を備えた圧電素子と、
前記圧電素子の印加電圧及び印加周波数を制御する駆動制御手段とを備えた圧電装置において、
前記圧電装置の外部温度を測定する外部温度測定手段と、
前記圧電装置の外部湿度を測定する外部湿度測定手段と、
前記外部温度測定手段及び前記外部湿度測定手段による測定結果、及びあらかじめ取得された外部温度及び外部湿度と前記圧電体上に結露が生じる露点との関係に基づいて、前記圧電装置の使用環境下にて前記圧電体上に結露が生じる露点を求める露点測定手段と、
前記圧電体の温度を、前記露点測定手段により測定された前記露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御する圧電体温度制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
The piezoelectric device of the present invention is
A piezoelectric element including a piezoelectric body and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric body;
In a piezoelectric device comprising drive control means for controlling the applied voltage and applied frequency of the piezoelectric element,
An external temperature measuring means for measuring an external temperature of the piezoelectric device;
External humidity measuring means for measuring the external humidity of the piezoelectric device;
Based on the measurement results by the external temperature measurement means and the external humidity measurement means, and the relationship between the external temperature and external humidity acquired in advance and the dew point at which dew condensation occurs on the piezoelectric body, under the usage environment of the piezoelectric device. Dew point measuring means for obtaining a dew point at which dew condensation occurs on the piezoelectric body;
Piezoelectric temperature control means for controlling the temperature of the piezoelectric body within a control temperature range higher than the dew point measured by the dew point measuring means and not higher than 80 ° C. is provided.
前記圧電体温度制御手段は、
前記圧電体の温度を測定する圧電体温度測定手段と、
前記圧電体温度測定手段による測定結果及び前記制御温度範囲に基づいて、前記圧電体の温度を調節する圧電体温度調節手段とを備えたことが好ましい。
The piezoelectric body temperature control means includes
Piezoelectric body temperature measuring means for measuring the temperature of the piezoelectric body;
It is preferable that a piezoelectric body temperature adjusting unit that adjusts the temperature of the piezoelectric body based on a measurement result by the piezoelectric body temperature measuring unit and the control temperature range is provided.
前記圧電体温度調節手段は、
前記圧電体を加熱する加熱手段と、
前記圧電体を冷却する冷却手段と、
前記加熱手段及び前記冷却手段を制御する加熱冷却制御手段とを備えたことが好ましい。
The piezoelectric body temperature adjusting means includes:
Heating means for heating the piezoelectric body;
Cooling means for cooling the piezoelectric body;
It is preferable to include a heating / cooling control means for controlling the heating means and the cooling means.
前記圧電体温度制御手段は、
前記圧電体の温度を、前記露点測定手段により測定された前記露点+2℃以上40℃以下の制御温度範囲内に制御するものであることが好ましい。
The piezoelectric body temperature control means includes
It is preferable that the temperature of the piezoelectric body is controlled within a control temperature range of the dew point + 2 ° C. to 40 ° C. measured by the dew point measuring means.
本発明は、前記圧電体が圧電体膜である場合に有効であり、前記圧電体が膜厚10μm以下の圧電体膜である場合に特に有効である。
本発明は、前記駆動制御手段による前記圧電体の駆動周波数が30kHz以上である場合に有効である。
本発明は、前記駆動制御手段による前記圧電体の駆動波形電圧の最低電圧と最高電圧との差(Vpp)が20V以上である場合に有効である。
The present invention is effective when the piezoelectric body is a piezoelectric film, and is particularly effective when the piezoelectric body is a piezoelectric film having a thickness of 10 μm or less.
The present invention is effective when the drive frequency of the piezoelectric body by the drive control means is 30 kHz or more.
The present invention is effective when the difference (Vpp) between the minimum voltage and the maximum voltage of the drive waveform voltage of the piezoelectric body by the drive control means is 20V or more.
前記圧電体としては、下記一般式(P)で表されるペロブスカイト型酸化物を含むものが挙げられる。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(P)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mは1種又は2種以上の金属元素を示す。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
Examples of the piezoelectric body include those containing a perovskite oxide represented by the following general formula (P).
A a (Zr x , Ti y , M b-xy ) b O c (P)
(In the formula, A: an element of A site, and at least one element including Pb.
M represents one or more metal elements.
0 <x <b, 0 <y <b, 0 ≦ b−xy.
Although a: b: c = 1: 1: 3 is a standard, these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range where a perovskite structure can be taken. )
本発明の圧電素子の駆動方法は、圧電体及び該圧電体に電圧を印加する電極を備えた圧電素子の駆動方法において、
前記圧電体の温度を、前記圧電装置の使用環境下にて前記圧電体上に結露が生じる露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御して、駆動を行うことを特徴とするものである。
The piezoelectric element driving method of the present invention is a piezoelectric element driving method comprising a piezoelectric body and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric body.
Driving is performed by controlling the temperature of the piezoelectric body within a control temperature range of 80 ° C. or higher higher than a dew point at which dew condensation occurs on the piezoelectric body under the usage environment of the piezoelectric device. is there.
本発明の液体吐出装置は、本発明の圧電装置と、該圧電装置に隣接して設けられた液体吐出部材とを備え、該液体吐出部材は、液体が貯留される液体貯留室と、前記圧電体に対する前記電圧の印加に応じて該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口とを有することを特徴とするものである。 The liquid ejection device of the present invention includes the piezoelectric device of the present invention and a liquid ejection member provided adjacent to the piezoelectric device, and the liquid ejection member includes a liquid storage chamber in which liquid is stored and the piezoelectric device. And a liquid discharge port through which the liquid is discharged from the liquid storage chamber in response to application of the voltage to the body.
本発明者は、圧電素子の外部環境の温度及び湿度と、圧電体自身の温度と、圧電体の耐久性との関係に着目して、圧電体の好適な駆動条件を見出し、耐久性に優れた圧電装置と圧電素子の駆動方法を発明した。
本発明によれば、耐久性に優れた圧電装置、及び耐久性に優れた圧電素子の駆動方法を提供することができる。
The inventor has found a suitable driving condition of the piezoelectric body by focusing on the relationship between the temperature and humidity of the external environment of the piezoelectric element, the temperature of the piezoelectric body itself, and the durability of the piezoelectric body, and has excellent durability. Invented a piezoelectric device and a driving method of the piezoelectric element.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the piezoelectric device excellent in durability and the drive method of the piezoelectric element excellent in durability can be provided.
本発明者は、圧電体の温度が露点以下になると、圧電体上に結露が発生して、圧電体が急激に劣化することを見出した。一方で、圧電体の温度が高くなる程、Cp・tanδ(ここで、Cpは静電容量、tanδは誘電損失を各々示す。)が上昇して圧電体からの発熱量が増え、圧電体の劣化が加速することを見出した。本発明者は、圧電体の温度を露点より高く80℃以下の温度範囲内に制御することで、耐久性良く圧電素子を駆動できることを見出し、本発明を完成した。 The inventor has found that when the temperature of the piezoelectric body becomes lower than the dew point, condensation occurs on the piezoelectric body and the piezoelectric body rapidly deteriorates. On the other hand, the higher the temperature of the piezoelectric body, the higher Cp · tan δ (where Cp is the capacitance and tan δ is the dielectric loss), and the amount of heat generated from the piezoelectric body increases. It was found that deterioration accelerates. The present inventor has found that the piezoelectric element can be driven with high durability by controlling the temperature of the piezoelectric body within a temperature range of 80 ° C. or higher higher than the dew point, and has completed the present invention.
すなわち、本発明の圧電装置は、
圧電体及び該圧電体に電圧を印加する電極を備えた圧電素子と、
前記圧電素子の印加電圧及び印加周波数を制御する駆動制御手段とを備えた圧電装置において、
前記圧電装置の外部温度を測定する外部温度測定手段と、
前記圧電装置の外部湿度を測定する外部湿度測定手段と、
前記外部温度測定手段及び前記外部湿度測定手段による測定結果、及びあらかじめ取得された外部温度及び外部湿度と前記圧電体上に結露が生じる露点との関係に基づいて、前記圧電装置の使用環境下にて前記圧電体上に結露が生じる露点を求める露点測定手段と、
前記圧電体の温度を、前記露点測定手段により測定された前記露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御する圧電体温度制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
That is, the piezoelectric device of the present invention is
A piezoelectric element including a piezoelectric body and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric body;
In a piezoelectric device comprising drive control means for controlling the applied voltage and applied frequency of the piezoelectric element,
An external temperature measuring means for measuring an external temperature of the piezoelectric device;
External humidity measuring means for measuring the external humidity of the piezoelectric device;
Based on the measurement results by the external temperature measurement means and the external humidity measurement means, and the relationship between the external temperature and external humidity acquired in advance and the dew point at which dew condensation occurs on the piezoelectric body, under the usage environment of the piezoelectric device. Dew point measuring means for obtaining a dew point at which dew condensation occurs on the piezoelectric body;
Piezoelectric temperature control means for controlling the temperature of the piezoelectric body within a control temperature range higher than the dew point measured by the dew point measuring means and not higher than 80 ° C. is provided.
本発明の圧電素子の駆動方法は、圧電体及び該圧電体に電圧を印加する電極を備えた圧電素子の駆動方法において、
前記圧電体の温度を、前記圧電装置の使用環境下にて前記圧電体上に結露が生じる露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御して、駆動を行うことを特徴とするものである。
The piezoelectric element driving method of the present invention is a piezoelectric element driving method comprising a piezoelectric body and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric body.
Driving is performed by controlling the temperature of the piezoelectric body within a control temperature range of 80 ° C. or higher higher than a dew point at which dew condensation occurs on the piezoelectric body under the usage environment of the piezoelectric device. is there.
「第1実施形態のインクジェット式記録ヘッド」
図1を参照して、本発明に係る第1実施形態の圧電アクチュエータ(圧電装置)及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)の構造について説明する。視認しやすくするため、構成要素の縮尺及び位置関係は実際のものとは適宜異ならせてある。
“Inkjet recording head of the first embodiment”
With reference to FIG. 1, the structure of a piezoelectric actuator (piezoelectric device) according to a first embodiment of the present invention and an ink jet recording head (liquid ejection device) including the same will be described. In order to facilitate visual recognition, the scales and positional relationships of the components are appropriately changed from the actual ones.
本実施形態の圧電アクチュエータ(圧電装置)2は、圧電素子1と各種駆動制御機構とを備えたものである。本実施形態の圧電アクチュエータ2は、圧電体13の温度を露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御することが可能なものである。
A piezoelectric actuator (piezoelectric device) 2 according to this embodiment includes a
圧電素子1は、振動板を兼ねた基板11上に、下部電極12と圧電体13と上部電極14とが順次積層された素子であり、圧電体13に対して下部電極12と上部電極14とにより厚み方向に電圧が印加されるようになっている。下部電極12、圧電体13、及び上部電極14のパターンは図示するものに限定されず、適宜設計される。振動板は基板11とは独立した部材により構成しても構わない。
The
基板11としては特に制限なく、シリコン,酸化シリコン,ステンレス(SUS),イットリウム安定化ジルコニア(YSZ),アルミナ,サファイヤ,SiC,及びSrTiO3等の基板が挙げられる。基板11としては、シリコン基板上にSiO2膜とSi活性層とが順次積層されたSOI基板等の積層基板を用いてもよい。
The
下部電極12の組成は特に制限なく、Au,Pt,Ir,IrO2,RuO2,LaNiO3,及びSrRuO3等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。上部電極14の組成は特に制限なく、下部電極12で例示した材料,Al,Ta,Cr,Cu等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。下部電極12と上部電極14の厚みは特に制限なく、50〜500nmであることが好ましい。
The composition of the
圧電アクチュエータ2には、圧電素子1の印加電圧及び印加周波数を制御する駆動回路等からなる駆動制御手段20が備えられている。
The
圧電アクチュエータ2にはさらに、
外部温度を測定する外部温度測定手段と、
外部湿度を測定する外部湿度測定手段と、
外部温度測定手段及び外部湿度測定手段による測定結果、及びあらかじめ取得された外部温度及び外部湿度と圧電体13上に結露が生じる露点との関係に基づいて、圧電アクチュエータ2の使用環境下にて圧電体13上に結露が生じる露点を求める露点測定手段とが備えられている。
The
An external temperature measuring means for measuring the external temperature;
An external humidity measuring means for measuring external humidity;
Based on the measurement results obtained by the external temperature measuring means and the external humidity measuring means, and the relationship between the external temperature and external humidity acquired in advance and the dew point at which dew condensation occurs on the
本実施形態において、外部温度測定手段、外部湿度測定手段、及び露点測定手段として、外部環境の温度及び湿度を測定し、圧電アクチュエータ2の使用環境下にて圧電体13上に結露が生じる露点を求め、外部環境の温度と湿度、及び求められた露点を表示する温湿度センサ30が備えられている。
In the present embodiment, as the external temperature measuring means, the external humidity measuring means, and the dew point measuring means, the temperature and humidity of the external environment are measured, and the dew point at which dew condensation occurs on the
圧電アクチュエータ2にはさらに、圧電体13の温度を、上記露点測定手段により測定された露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御する圧電体温度制御手段40が備えられている。
The
圧電体13の温度が露点以下となることを安定的に抑制するために、圧電体温度制御手段40は、圧電体13の温度を、露点測定手段により測定された露点+2℃以上80℃以下の制御温度範囲内に制御するものであることが好ましい。
In order to stably suppress the temperature of the
圧電体温度制御手段40は、上記制御温度範囲内でなるべく低い温度に制御するものであることがより好ましい。具体的には、圧電体温度制御手段40は、圧電体13の温度を、露点測定手段により測定された露点+2℃以上60℃以下の制御温度範囲内に制御するものであることがより好ましく、圧電体13の温度を、露点測定手段により測定された露点+2℃以上40℃以下の制御温度範囲内に制御するものであることが特に好ましい。
The piezoelectric body temperature control means 40 is more preferably one that controls the temperature as low as possible within the control temperature range. Specifically, it is more preferable that the piezoelectric body
本実施形態において、圧電体温度制御手段40として、圧電体13の温度を測定する圧電体温度測定手段41と、圧電体温度測定手段41による測定結果及び上記制御温度範囲に基づいて、圧電体13の温度を調節する圧電体温度調節手段42とが備えられている。
In the present embodiment, as the piezoelectric body temperature control means 40, the piezoelectric body temperature measurement means 41 that measures the temperature of the
本実施形態において、圧電体温度測定手段41として、圧電体13の温度を測定する熱電対が備えられている。本実施形態において、熱電対は下部電極12に接触するように備えられているが、圧電体13の温度を測定することができれば、その位置は特に制限されない。圧電体温度測定手段41としては、熱電対の他に、サーモグラフィ、あるいは赤外線顕微鏡等を用いることもできる。
In this embodiment, a thermocouple for measuring the temperature of the
本実施形態において、圧電体温度調節手段42として、圧電体13を加熱する加熱手段43と、圧電体13を冷却する冷却手段44と、加熱手段43及び冷却手段44を制御する加熱冷却制御手段45とが備えられている。
In this embodiment, as the piezoelectric body temperature adjusting means 42, a heating means 43 for heating the
加熱手段43としては、シリコンラバーヒータ等の各種ヒータ等が挙げられる。冷却手段44としては、ペルチェ素子及び送風ファン等が挙げられ、ペルチェ素子等が好ましい。加熱手段43及び冷却手段44の設置箇所は、圧電体13の温度を変えられる位置であればよく、特に制限されない。
Examples of the heating means 43 include various heaters such as a silicon rubber heater. Examples of the cooling means 44 include a Peltier element and a blower fan, and a Peltier element is preferable. The installation location of the heating means 43 and the cooling means 44 is not particularly limited as long as the temperature of the
本実施形態において、加熱冷却制御手段45は、圧電体温度測定手段41による測定結果及び上記制御温度範囲に基づいて、圧電体13の設定温度を決定し、圧電体13がこの設定温度になるよう加熱手段43及び冷却手段44を制御する制御回路46と、圧電体温度測定手段41による測定結果を表示する表示部47と、圧電体13の設定温度を表示する表示部48等からなる制御装置である。
In the present embodiment, the heating / cooling control means 45 determines the set temperature of the
加熱冷却制御手段45による圧電体13の設定温度は、上記制御温度範囲内でなるべく低い温度がより好ましい。
The set temperature of the
本実施形態によれば、圧電体13の温度を、圧電アクチュエータ2の使用環境下にて圧電体13上に結露が生じる露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御して、駆動を行うことができる。本実施形態によれば、耐久性に優れた圧電アクチュエータ2と圧電素子の駆動方法を提供することができる。
According to the present embodiment, driving is performed by controlling the temperature of the
本実施形態は、圧電体13からの発熱量が多い場合に有効である。
圧電体13からの発熱量Wは、下記式で表される。
W=1/2ω・Cp・Vpp2・tanδ
(式中、Cpは静電容量、Vppは電圧振幅(駆動波形電圧の最低電圧と最高電圧との差)、tanδは誘電損失を各々示す。ω=2πf、Cp=ε0・εr・S/dである。ここで、dは膜厚、Sは面積、εrは物質の比誘電率、ε0は真空の誘電率を各々示す。)
This embodiment is effective when the amount of heat generated from the
The calorific value W from the
W = 1 / 2ω · Cp · Vpp 2 · tan δ
(Where Cp is the capacitance, Vpp is the voltage amplitude (difference between the lowest voltage and the highest voltage of the driving waveform voltage), and tan δ is the dielectric loss. Ω = 2πf, Cp = ε0 · εr · S / d (Where d is the film thickness, S is the area, εr is the relative dielectric constant of the substance, and ε0 is the dielectric constant of the vacuum.)
上記式から分かるように、圧電体13の厚みが薄い程、圧電体13からの発熱量が多くなる傾向にある。したがって、本実施形態は、圧電体13が圧電体膜である場合に有効であり、圧電体13が膜厚10μm以下の圧電体膜である場合に特に有効である。圧電体膜の膜厚の下限は特に制限されず、例えば500nm以上である。
As can be seen from the above equation, the amount of heat generated from the
上記式から分かるように、圧電体13の駆動周波数が大きくなる程、圧電体13からの発熱量が多くなる傾向にある。したがって、本実施形態は、駆動制御手段20による圧電体13の駆動周波数が30kHz以上である場合に有効であり、50kHz以上である場合にさらに有効であり、100kHzある場合に特に有効である。
As can be seen from the above equation, the amount of heat generated from the
上記式から分かるように、圧電体13の電圧振幅が大きくなる程、圧電体13からの発熱量が多くなる傾向にある。したがって、本実施形態は、駆動制御手段20による圧電体13の駆動波形電圧の最低電圧と最高電圧との差(Vpp)が20V以上である場合に有効であり、25V以上である場合にさらに有効であり、30V以上である場合に特に有効である。
As can be seen from the above equation, the amount of heat generated from the
圧電体13の組成は特に制限されない。
圧電体13としては、下記一般式で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物を含むものが挙げられる。
一般式ABO3
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pb,Ba,La,Sr,Bi,Li,Na,Ca,Cd,Mg,K,及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素、
O:酸素元素、
Aサイト元素の総モル数とBサイト元素の総モル数と酸素元素のモル数との比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
The composition of the
Examples of the
General formula ABO 3
(In the formula, A: an element at the A site, and at least one element selected from the group consisting of Pb, Ba, La, Sr, Bi, Li, Na, Ca, Cd, Mg, K, and a lanthanide element) ,
B: Element of B site, which is composed of Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe and Ni At least one element selected from the group,
O: oxygen element,
The ratio of the total number of moles of the A-site element, the total number of moles of the B-site element and the number of moles of the oxygen element is 1: 1: 3 as a standard, but these mole ratios are within a range that can take a perovskite structure. It may deviate from the molar ratio. )
上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、
チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系;
チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
As the perovskite oxide represented by the above general formula,
Lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate, lead lanthanum titanate, lead lanthanum zirconate titanate, lead zirconium niobate titanate titanate, lead niobium zirconium titanate titanate, titanium titanate zinc niobate Lead-containing compounds such as lead acid, and mixed crystal systems thereof;
Non-lead-containing compounds such as barium titanate, barium strontium titanate, bismuth sodium titanate, bismuth potassium titanate, sodium niobate, potassium niobate, lithium niobate, bismuth ferrite, and mixed crystal systems thereof may be mentioned.
本実施形態の圧電アクチュエータ2及び圧電素子の駆動方法は、圧電体13が、下記一般式(P)で表されるPZTあるいはその置換系のペロブスカイト型酸化物を含む場合などに好ましく適用できる。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(P)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mは1種又は2種以上の金属元素を示す。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
The
A a (Zr x , Ti y , M b-xy ) b O c (P)
(In the formula, A: an element of A site, and at least one element including Pb.
M represents one or more metal elements.
0 <x <b, 0 <y <b, 0 ≦ b−xy.
Although a: b: c = 1: 1: 3 is a standard, these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range where a perovskite structure can be taken. )
Bサイトの1種又は2種以上の置換元素であるMは、特に制限されない。
被置換イオンの価数よりも高い価数を有する各種ドナイオンを添加したPZTでは、真性PZTよりも圧電性能等の特性が向上することが知られている。Mは、4価のZr,Tiよりも価数の大きい1種又は2種以上のドナイオンであることが好ましい。かかるドナイオンとしては、V5+,Nb5+,Ta5+,Sb5+,Mo6+,及びW6+等が挙げられる。すなわち、ペロブスカイト型酸化物(P)は、0<b−x−yであり、MがV,Nb,Ta,及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を含むペロブスカイト型酸化物(PX)であることが好ましい。
M, which is one or more substitution elements of the B site, is not particularly limited.
It is known that PZT to which various donor ions having a valence higher than that of a substituted ion are added has improved characteristics such as piezoelectric performance as compared with intrinsic PZT. M is preferably one or more donor ions having a valence larger than that of tetravalent Zr or Ti. Examples of such donor ions include V 5+ , Nb 5+ , Ta 5+ , Sb 5+ , Mo 6+ , and W 6+ . That is, the perovskite oxide (P) is 0 <b-xy, and M is a perovskite oxide (M) containing at least one element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, and Sb. PX).
ペロブスカイト型酸化物(P)において、Aサイトに含まれてもよいPb以外の元素としては特に制限されず、ドナイオンが好ましく、具体的にはBi,及びLa等の各種ランタノイド等の少なくとも1種の元素が好ましい。 In the perovskite type oxide (P), elements other than Pb that may be contained in the A site are not particularly limited, and are preferably dona ions, specifically, at least one kind of various lanthanoids such as Bi and La. Elements are preferred.
インクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)3は、概略、圧電アクチュエータ2に、インクが貯留されるインク室(液体貯留室)61、及びインク室61から外部にインクが吐出されるインク吐出口(液体吐出口)62を有するインクノズル(液体貯留吐出部材)60が取り付けられたものである。振動板を兼ねた基板11には、後記するインクジェット式記録装置100のインク貯蔵/装填部114からインク室61にインクを供給するためのインク供給口63が開口されている。
The ink jet recording head (liquid ejecting apparatus) 3 generally includes an ink chamber (liquid storing chamber) 61 in which ink is stored in the
インクジェット式記録ヘッド3では、圧電素子1に印加する電界強度を増減させて圧電素子1を伸縮させ、これによってインク室61からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。
In the ink
基板11とは独立した部材のインクノズル60を取り付ける代わりに、基板11の一部をインクノズル60に加工してもよい。例えば、基板11がSOI基板等の積層基板からなる場合には、基板11を裏面側からエッチングしてインク室61を形成し、基板自体の加工によりインクノズル60を形成することができる。
Instead of attaching the
本実施形態の圧電アクチュエータ2及びインクジェット式記録ヘッド3は、以上のように構成されている。本実施形態によれば、耐久性に優れた圧電アクチュエータ2と圧電素子の駆動方法を提供することができる。
The
「第2実施形態のインクジェット式記録ヘッド」
図2を参照して、本発明に係る第2実施形態の圧電アクチュエータ(圧電装置)及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)の構造について説明する。本実施形態の圧電アクチュエータ4及びインクジェット式記録ヘッド5の基本構成は第1実施形態と同様である。第1実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明を省略する。
“Inkjet recording head of second embodiment”
With reference to FIG. 2, the structure of a piezoelectric actuator (piezoelectric device) according to a second embodiment of the present invention and an ink jet recording head (liquid ejection device) including the same will be described. The basic configuration of the piezoelectric actuator 4 and the ink
本実施形態の圧電アクチュエータ4においても、第1実施形態と同様に、
外部温度を測定する外部温度測定手段と、
外部湿度を測定する外部湿度測定手段と、
外部温度測定手段及び外部湿度測定手段による測定結果、及びあらかじめ取得された外部温度及び外部湿度と圧電体13上に結露が生じる露点との関係に基づいて、圧電アクチュエータ4の使用環境下にて圧電体13上に結露が生じる露点を求める露点測定手段とが備えられている。
In the piezoelectric actuator 4 of the present embodiment, as in the first embodiment,
An external temperature measuring means for measuring the external temperature;
An external humidity measuring means for measuring external humidity;
Based on the measurement results obtained by the external temperature measuring means and the external humidity measuring means, and the relationship between the external temperature and external humidity acquired in advance and the dew point at which dew condensation occurs on the
本実施形態においても、外部温度測定手段、外部湿度測定手段、及び露点測定手段として、外部環境の温度及び湿度を測定し、圧電アクチュエータ4の使用環境下にて圧電体13上に結露が生じる露点を求め、外部環境の温度、湿度、及び求められた露点を表示する温湿度センサ30が備えられている。
Also in this embodiment, as an external temperature measuring means, an external humidity measuring means, and a dew point measuring means, the temperature and humidity of the external environment are measured, and the dew point at which dew condensation occurs on the
本実施形態においても、第1実施形態と同様に、圧電体13の温度を、露点測定手段により測定された露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御する圧電体温度制御手段50が備えられている。
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the piezoelectric body temperature control means 50 that controls the temperature of the
圧電体13の温度が露点以下となることを安定的に抑制するために、圧電体温度制御手段50は、圧電体13の温度を、露点測定手段により測定された露点+2℃以上80℃以下の制御温度範囲内に制御するものであることが好ましい。
In order to stably suppress the temperature of the
圧電体温度制御手段50は、上記制御温度範囲内でなるべく低い温度に制御するものであることが特に好ましい。具体的には、圧電体温度制御手段50は、圧電体13の温度を、露点測定手段により測定された露点+2℃以上60℃以下の制御温度範囲内に制御するものであることがより好ましく、圧電体13の温度を、露点測定手段により測定された露点+2℃以上40℃以下の制御温度範囲内に制御するものであることが特に好ましい。
The piezoelectric body temperature control means 50 is particularly preferably one that controls the temperature as low as possible within the control temperature range. Specifically, it is more preferable that the piezoelectric body temperature control means 50 controls the temperature of the
本実施形態において、圧電体温度制御手段50として、圧電体13の温度を測定する圧電体温度測定手段51と、圧電体温度測定手段51による測定結果及び上記制御温度範囲に基づいて、圧電体13の温度を調節する圧電体温度調節手段52とが備えられている。
In the present embodiment, as the piezoelectric body temperature control means 50, the piezoelectric body temperature measurement means 51 that measures the temperature of the
本実施形態において、圧電体温度測定手段51として、圧電体13の温度を測定する熱電対が備えられている。本実施形態において、熱電対は下部電極12に接触するように備えられているが、圧電体13の温度を測定することができれば、その位置は特に制限されない。圧電体温度測定手段51としては、熱電対の他に、サーモグラフィ、あるいは赤外線顕微鏡等を用いることもできる。
In the present embodiment, a thermocouple for measuring the temperature of the
本実施形態において、圧電体温度調節手段52として、内部に流体が循環する流体循環菅53と、流体循環菅53内の流体の温度を調温する流体温制御手段54とが備えられている。
In the present embodiment, as the piezoelectric body temperature adjusting means 52, a
流体温制御手段54は、流体循環菅53内の流体を加熱する加熱手段55と、流体循環菅53内の流体を冷却する冷却手段56と、圧電体温度測定手段51による測定結果及び圧電体13の制御温度範囲に基づいて、圧電体13の設定温度を決定し、圧電体13がこの設定温度になるよう加熱手段55及び冷却手段56を制御して流体循環菅53内の流体の温度を制御する制御回路等からなる加熱冷却制御手段57と、圧電体温度測定手段51による測定結果を表示する表示部58と、圧電体13の設定温度を表示する表示部59等からなる制御装置である。
The fluid temperature control means 54 includes a heating means 55 that heats the fluid in the
流体循環菅53内の流体の組成は特に制限されない。流体循環菅53内の流体は、水等の無機流体でもよいし、エチレングリコールや各種オイルのような有機流体でもよい。流体循環菅53内の流体は単一物からなるものでもよいし、混合物でもよい。流体循環菅53内の流体は、溶媒中に何らかの溶質が溶解したものでもよい。
The composition of the fluid in the
流体温制御手段54による圧電体13の設定温度は、上記制御温度範囲内でなるべく低い温度であることがより好ましい。
The set temperature of the
本実施形態によっても、圧電体13の温度を、圧電アクチュエータ2の使用環境下にて圧電体13上に結露が生じる露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御して、駆動を行うことができる。本実施形態によっても、耐久性に優れた圧電アクチュエータ4と圧電素子の駆動方法を提供することができる。
Also according to the present embodiment, driving is performed by controlling the temperature of the
「インクジェット式記録装置」
図3及び図4を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド3を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図3は装置全体図であり、図4は部分上面図である。
"Inkjet recording device"
With reference to FIG. 3 and FIG. 4, a configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink
図示するインクジェット式記録装置100は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド(以下、単に「ヘッド」という)3K,3C,3M,3Yを有する印字部102と、各ヘッド3K,3C,3M,3Yに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵/装填部114と、記録紙116を供給する給紙部118と、記録紙116のカールを除去するデカール処理部120と、印字部102のノズル面(インク吐出面)に対向して配置され、記録紙116の平面性を保持しながら記録紙116を搬送する吸着ベルト搬送部122と、印字部102による印字結果を読み取る印字検出部124と、印画済みの記録紙(プリント物)を外部に排紙する排紙部126とから概略構成されている。
印字部102をなすヘッド3K,3C,3M,3Yが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド3である。
The illustrated ink
Each of the
デカール処理部120では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム130により記録紙116に熱が与えられて、デカール処理が実施される。
ロール紙を使用する装置では、図3のように、デカール処理部120の後段に裁断用のカッター128が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター128は、記録紙116の搬送路幅以上の長さを有する固定刃128Aと、該固定刃128Aに沿って移動する丸刃128Bとから構成されており、印字裏面側に固定刃128Aが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃128Bが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター128は不要である。
In the
In the apparatus using roll paper, as shown in FIG. 3, a
デカール処理され、カットされた記録紙116は、吸着ベルト搬送部122へと送られる。吸着ベルト搬送部122は、ローラ131、132間に無端状のベルト133が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部102のノズル面及び印字検出部124のセンサ面に対向する部分が水平面(フラット面)となるよう構成されている。
The decurled and cut
ベルト133は、記録紙116の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔(図示略)が形成されている。ローラ131、132間に掛け渡されたベルト133の内側において印字部102のノズル面及び印字検出部124のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ134が設けられており、この吸着チャンバ134をファン135で吸引して負圧にすることによってベルト133上の記録紙116が吸着保持される。
The
ベルト133が巻かれているローラ131、132の少なくとも一方にモータ(図示略)の動力が伝達されることにより、ベルト133は図3上の時計回り方向に駆動され、ベルト133上に保持された記録紙116は図3の左から右へと搬送される。
When the power of a motor (not shown) is transmitted to at least one of the
縁無しプリント等を印字するとベルト133上にもインクが付着するので、ベルト133の外側の所定位置(印字領域以外の適当な位置)にベルト清掃部136が設けられている。
吸着ベルト搬送部122により形成される用紙搬送路上において印字部102の上流側に、加熱ファン140が設けられている。加熱ファン140は、印字前の記録紙116に加熱空気を吹き付け、記録紙116を加熱する。印字直前に記録紙116を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。
Since ink adheres to the
A
印字部102は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向(主走査方向)に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている(図4を参照)。各印字ヘッド3K,3C,3M,3Yは、インクジェット式記録装置100が対象とする最大サイズの記録紙116の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口(ノズル)が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。
The
記録紙116の送り方向に沿って上流側から、黒(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の順に各色インクに対応したヘッド3K,3C,3M,3Yが配置されている。記録紙116を搬送しつつ各ヘッド3K,3C,3M,3Yからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙116上にカラー画像が記録される。
印字検出部124は、印字部102の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。
The
印字検出部124の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部142が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
後乾燥部142の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部144が設けられている。加熱・加圧部144では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ145で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
A
A heating /
こうして得られたプリント物は、排紙部126から排出される。本来プリントすべき本画像(目的の画像を印刷したもの)とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置100では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部126A、126Bへと送るために排紙経路を切り替える選別手段(図示略)が設けられている。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター148を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット記記録装置100は、以上のように構成されている。
The printed matter obtained in this manner is outputted from the
When the main image and the test print are simultaneously printed on a large sheet of paper, the
The ink
(設計変更)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
(Design changes)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
本発明に係る実施例及び比較例について説明する。 Examples and comparative examples according to the present invention will be described.
(圧電素子の作製)
Siウエハ上にスパッタ法により、下部電極として20nm厚のTi膜と150nm厚の(111)Ir膜とを順次成膜した。この下部電極上にNb−PZT圧電体膜を成膜した。圧電体膜の成膜条件は以下の通りとした。
成膜装置:RFスパッタ装置(アルバック社製「強誘電体成膜スパッタ装置MPS型」)、
ターゲット:120mmφのPb1.3((Zr0.52Ti0.48)0.88Nb0.12)O3焼結体、
成膜パワー:500W、
基板/ターゲット間距離:60mm、
成膜圧力:0.3Pa、
成膜ガス:Ar/O2=97.5/2.5(モル比)。
上記Nb−PZT膜上にTi/Pt上部電極(Ti:20nm厚/Pt:150nm厚)を成膜し(Tiは密着層として機能し、Ptが主に電極として機能する。)、5×12.5mm2の大きさに切断して、圧電素子を得た。
(Production of piezoelectric element)
A Si film having a thickness of 20 nm and a (111) Ir film having a thickness of 150 nm were sequentially formed on the Si wafer as a lower electrode by sputtering. An Nb-PZT piezoelectric film was formed on the lower electrode. The conditions for forming the piezoelectric film were as follows.
Film forming apparatus: RF sputtering apparatus ("ferroelectric film forming sputtering apparatus MPS type" manufactured by ULVAC),
Target: 120 mmφ Pb 1.3 ((Zr 0.52 Ti 0.48 ) 0.88 Nb 0.12 ) O 3 sintered body,
Deposition power: 500W
Substrate / target distance: 60 mm,
Deposition pressure: 0.3 Pa
Deposition gas: Ar / O 2 = 97.5 / 2.5 (molar ratio).
A Ti / Pt upper electrode (Ti: 20 nm thickness / Pt: 150 nm thickness) is formed on the Nb-PZT film (Ti functions as an adhesion layer, and Pt mainly functions as an electrode), 5 × 12. The piezoelectric element was obtained by cutting to a size of 0.5 mm 2 .
(耐久性試験)
同じ条件で作製した圧電素子について、外部環境の温度と湿度、及び圧電体膜の温度を変えて、平均寿命試験を実施した。
外部環境の温度及び湿度は、恒温恒湿槽で制御した。
圧電体膜の温度は、NEC三栄社製のサーモグラフィ「TH7102FM」、Apiste社製の赤外線顕微鏡「FSV−GX7000」、及びサンプルへのK熱電対貼付けの3通りで測定した。
サーモグラフィと赤外線顕微鏡は、物体の表面物質の放射率によって温度表示が異なるため、あらかじめホットプレート上で、実際の膜の温度と表示温度とを比較して較正表を作成した上で実温を読み取るようにした。いずれの方法でも、実際の膜の温度と表示温度との差は±5℃以内であった。
圧電素子に対して−12.5V±12.5V、100kHzの台形波を印加し、10億サイクルごとに(すなわち100kHz×10億サイクル=16.7分おきに)電圧印加を切って、LCRメータにて、1V、1kHzのtanδを計測し、tanδが0.1を超えた点を寿命として求めた。20ヶ所測定の寿命の平均を、「平均寿命」として求めた。
(Durability test)
For the piezoelectric element manufactured under the same conditions, an average life test was performed by changing the temperature and humidity of the external environment and the temperature of the piezoelectric film.
The temperature and humidity of the external environment were controlled by a constant temperature and humidity chamber.
The temperature of the piezoelectric film was measured in three ways: thermography “TH7102FM” manufactured by NEC Sanei Co., Ltd., infrared microscope “FSV-GX7000” manufactured by Apiste Co., Ltd., and K thermocouple pasted on a sample.
Since thermography and infrared microscope display temperature differently depending on the emissivity of the surface material of the object, the actual temperature is read after comparing the actual film temperature and display temperature on the hot plate in advance. I did it. In either method, the difference between the actual film temperature and the display temperature was within ± 5 ° C.
An LCR meter is applied by applying a trapezoidal wave of −12.5 V ± 12.5 V and 100 kHz to the piezoelectric element, and turning off the voltage every 1 billion cycles (ie, 100 kHz × 1 billion cycles = 16.7 minutes). Then, tan δ at 1 V and 1 kHz was measured, and the point where tan δ exceeded 0.1 was obtained as the lifetime. The average of the lifespan measured at 20 locations was determined as “average life”.
(試験1)
外部環境40℃相対湿度80%の条件下で、平均寿命を測定した。
<実施例1>
サンプル背面に、50mm×50mm×10mmサイズの黒色に塗ったアルミブロックを設置した。圧電体膜が充分に放熱され、圧電体膜は外部環境と同じ温度となった。この条件で、平均寿命試験を行った。
<実施例2、比較例1>
サンプルを温度制御付シリコンラバーヒータにて加熱して温度制御を行いながら、平均寿命試験を行った。圧電体膜の温度は、膜上にテフロンコート被覆K熱電対をカプトンテープで貼り付けてモニタリングした(テフロン及びカプトンは登録商標)。
<比較例2>
サンプル背面をペルチェ素子で冷却し33℃に保持して、平均寿命試験を行った。圧電体膜の温度は、膜上にテフロンコート被覆K熱電対をカプトンテープで貼り付けてモニタリングした(テフロン及びカプトンは登録商標)。サンプル表面に結露が観測された。
実施例1−2及び比較例1−2における、外部環境の温度と湿度、その外部環境下における露点、圧電体膜の駆動温度を表1に示す。
<評価結果>
評価結果を表1に示す。
表1に示すように、90℃以上の駆動では圧電体膜の劣化が顕著になることが分かった。また、圧電体膜を露点以下まで冷却すると、サンプルに結露が生じて圧電体膜の劣化が顕著になることが分かった。圧電体膜の温度を露点より高く80℃以下の温度に制御することにより、高い耐久性が得られることが分かった。
(Test 1)
The average life was measured under conditions of an external environment of 40 ° C. and a relative humidity of 80%.
<Example 1>
An aluminum block painted in black of 50 mm × 50 mm × 10 mm size was placed on the back of the sample. The piezoelectric film was sufficiently dissipated, and the piezoelectric film was at the same temperature as the external environment. Under this condition, an average life test was conducted.
<Example 2, Comparative Example 1>
An average life test was conducted while heating the sample with a temperature-controlled silicon rubber heater and controlling the temperature. The temperature of the piezoelectric film was monitored by attaching a Teflon-coated K thermocouple on the film with Kapton tape (Teflon and Kapton are registered trademarks).
<Comparative Example 2>
The back of the sample was cooled with a Peltier device and held at 33 ° C., and an average life test was conducted. The temperature of the piezoelectric film was monitored by attaching a Teflon-coated K thermocouple on the film with Kapton tape (Teflon and Kapton are registered trademarks). Condensation was observed on the sample surface.
Table 1 shows the temperature and humidity of the external environment, the dew point in the external environment, and the driving temperature of the piezoelectric film in Example 1-2 and Comparative Example 1-2.
<Evaluation results>
The evaluation results are shown in Table 1.
As shown in Table 1, it was found that the deterioration of the piezoelectric film becomes remarkable when driving at 90 ° C. or higher. It was also found that when the piezoelectric film was cooled to a dew point or lower, condensation occurred in the sample and the deterioration of the piezoelectric film became significant. It has been found that high durability can be obtained by controlling the temperature of the piezoelectric film to be higher than the dew point and not higher than 80 ° C.
(試験2)
外部環境25℃相対湿度50%の条件下で、平均寿命を測定した。
<実施例3−4,比較例3−5>
圧電体膜の温度制御は試験1と同様に実施した。この試験では、試験1よりも長寿命になる傾向にあった。そのため、平均寿命が1500億ドットを超えるものは、寿命試験を続行することが時間的に難しかったため、1500億ドットまでのデータを用いて、ワイブルプロットの最小2乗法により外挿し、推定平均寿命を求めた。
実施例3−4及び比較例3−5における、各例における、外部環境の温度と湿度、その外部環境下における露点、圧電体膜の駆動温度、及び評価結果を表2に示す。
表2に示すように、90℃以上の駆動では圧電体膜の劣化が顕著になることが分かった。また、圧電体膜を露点以下まで冷却すると、サンプルに結露が生じて圧電体膜の劣化が顕著になることが分かった。圧電体膜の温度を露点より高く80℃以下の温度に制御することにより、高い耐久性が得られることが分かった。
(Test 2)
The average life was measured under conditions of an external environment of 25 ° C. and a relative humidity of 50%.
<Example 3-4, Comparative Example 3-5>
The temperature control of the piezoelectric film was performed in the same manner as in
Table 2 shows the temperature and humidity of the external environment, the dew point in the external environment, the driving temperature of the piezoelectric film, and the evaluation results in Example 3-4 and Comparative Example 3-5.
As shown in Table 2, it was found that the deterioration of the piezoelectric film becomes remarkable when driving at 90 ° C. or higher. It was also found that when the piezoelectric film was cooled to a dew point or lower, condensation occurred in the sample and the deterioration of the piezoelectric film became significant. It has been found that high durability can be obtained by controlling the temperature of the piezoelectric film to be higher than the dew point and not higher than 80 ° C.
(試験3)
外部環境25℃相対湿度50%の条件下で、平均寿命を測定した。
<実施例5,比較例6>
圧電体膜の温度制御は特に実施しなかった。
比較例6では、試験1,2と同様に、−12.5V±12.5V、100kHzの台形波を印加して試験を行った。駆動周波数100kHzの条件では、圧電体膜からの発熱が大きく、圧電体膜の温度は試験開始後すぐに90℃に上昇し、圧電体膜の劣化が見られた。
実施例5では、−12.5V±12.5V、20kHzの台形波を印加して試験を行った。駆動周波数20kHzの条件では駆動周波数100kHzの5倍の試験時間を要するため、試験2と同様に外挿法にて平均寿命を求めた。駆動周波数20kHzの条件では、圧電体膜からの発熱が少なく、試験開始初期の圧電体膜の温度は40℃であり、その後も40℃程度が維持された。実施例5では、圧電体膜は高寿命であった。
実施例5及び比較例6における、外部環境の温度と湿度、その外部環境下における露点、圧電体膜の初期の駆動温度、及び評価結果を表3に示す。
駆動周波数20kHz以下では特に温度制御をしなくても高寿命な場合があるが、駆動周波数30kHz以上では圧電体膜からの発熱が大きく、温度制御を行う本発明が有効である。
(Test 3)
The average life was measured under conditions of an external environment of 25 ° C. and a relative humidity of 50%.
<Example 5, Comparative Example 6>
No particular temperature control of the piezoelectric film was performed.
In Comparative Example 6, as in
In Example 5, a test was performed by applying a trapezoidal wave of −12.5 V ± 12.5 V and 20 kHz. Since the test time of 5 times the drive frequency of 100 kHz is required under the condition of the drive frequency of 20 kHz, the average life was obtained by extrapolation as in
Table 3 shows the temperature and humidity of the external environment, the dew point in the external environment, the initial driving temperature of the piezoelectric film, and the evaluation results in Example 5 and Comparative Example 6.
If the drive frequency is 20 kHz or less, there is a case where the life is long even if the temperature is not particularly controlled. However, if the drive frequency is 30 kHz or more, the heat generated from the piezoelectric film is large, and the present invention for performing temperature control is effective.
本発明の圧電装置及び圧電素子の駆動方法は、インクジェット式記録ヘッド,磁気記録再生ヘッド,MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)デバイス,マイクロポンプ,超音波探触子,及び超音波モータ等に搭載される圧電アクチュエータ、及び強誘電体メモリ等の強誘電体素子に好ましく適用できる。 The piezoelectric device and the driving method of the piezoelectric element of the present invention are mounted on an ink jet recording head, a magnetic recording / reproducing head, a MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) device, a micro pump, an ultrasonic probe, an ultrasonic motor, and the like. The present invention is preferably applicable to ferroelectric elements such as piezoelectric actuators and ferroelectric memories.
1 圧電素子
2,4 圧電アクチュエータ(圧電装置)
3,5 インクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)
3K,3C,3M,3Y インクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)
11 振動板を兼ねた基板
12、14 電極
13 圧電体
20 駆動制御手段
30 温湿度センサ(外部温度測定手段、外部湿度測定手段、露点測定手段)
40,50 圧電体温度制御手段
41,51 圧電体温度測定手段
42,52 圧電体温度調節手段
43,55 加熱手段
44,56 冷却手段
45,57 加熱冷却制御手段
60 インクノズル(液体貯留吐出部材)
61 インク室(液体貯留室)
62 インク吐出口(液体吐出口)
100 インクジェット式記録装置
1
3,5 Inkjet recording head (liquid ejection device)
3K, 3C, 3M, 3Y Inkjet recording head (liquid ejection device)
11 Substrate also serving as a
40, 50 Piezoelectric temperature control means 41, 51 Piezoelectric temperature measurement means 42, 52 Piezoelectric temperature adjustment means 43, 55 Heating means 44, 56 Cooling means 45, 57 Heating / cooling control means 60 Ink nozzle (liquid storage and discharge member)
61 Ink chamber (liquid storage chamber)
62 Ink ejection port (liquid ejection port)
100 Inkjet recording device
Claims (11)
前記圧電素子の印加電圧及び印加周波数を制御する駆動制御手段とを備えた圧電装置において、
前記圧電装置の外部温度を測定する外部温度測定手段と、
前記圧電装置の外部湿度を測定する外部湿度測定手段と、
前記外部温度測定手段及び前記外部湿度測定手段による測定結果、及びあらかじめ取得された外部温度及び外部湿度と前記圧電体上に結露が生じる露点との関係に基づいて、前記圧電装置の使用環境下にて前記圧電体上に結露が生じる露点を求める露点測定手段と、
前記圧電体の温度を、前記露点測定手段により測定された前記露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御する圧電体温度制御手段とを備えたことを特徴とする圧電装置。 A piezoelectric element including a piezoelectric body and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric body;
In a piezoelectric device comprising drive control means for controlling the applied voltage and applied frequency of the piezoelectric element,
An external temperature measuring means for measuring an external temperature of the piezoelectric device;
External humidity measuring means for measuring the external humidity of the piezoelectric device;
Based on the measurement results by the external temperature measurement means and the external humidity measurement means, and the relationship between the external temperature and external humidity acquired in advance and the dew point at which dew condensation occurs on the piezoelectric body, under the usage environment of the piezoelectric device. Dew point measuring means for obtaining a dew point at which dew condensation occurs on the piezoelectric body;
A piezoelectric device comprising: a piezoelectric body temperature control means for controlling the temperature of the piezoelectric body within a control temperature range higher than the dew point measured by the dew point measuring means and not higher than 80 ° C.
前記圧電体の温度を測定する圧電体温度測定手段と、
前記圧電体温度測定手段による測定結果及び前記制御温度範囲に基づいて、前記圧電体の温度を調節する圧電体温度調節手段とを備えたことを特徴とする請求項1に記載の圧電装置。 The piezoelectric body temperature control means includes
Piezoelectric body temperature measuring means for measuring the temperature of the piezoelectric body;
2. The piezoelectric device according to claim 1, further comprising: a piezoelectric body temperature adjusting unit that adjusts a temperature of the piezoelectric body based on a measurement result by the piezoelectric body temperature measuring unit and the control temperature range.
前記圧電体を加熱する加熱手段と、
前記圧電体を冷却する冷却手段と、
前記加熱手段及び前記冷却手段を制御する加熱冷却制御手段とを備えたことを特徴とする請求項2に記載の圧電装置。 The piezoelectric body temperature adjusting means includes:
Heating means for heating the piezoelectric body;
Cooling means for cooling the piezoelectric body;
The piezoelectric device according to claim 2, further comprising a heating / cooling control unit that controls the heating unit and the cooling unit.
前記圧電体の温度を、前記露点測定手段により測定された前記露点+2℃以上40℃以下の制御温度範囲内に制御するものであ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装置。 The piezoelectric body temperature control means includes
The temperature of the piezoelectric body is controlled within the control temperature range of the dew point + 2 ° C to 40 ° C measured by the dew point measuring means. Piezoelectric device.
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(P)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mは1種又は2種以上の金属元素を示す。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。) The piezoelectric device according to claim 1, wherein the piezoelectric body includes a perovskite oxide represented by the following general formula (P).
A a (Zr x , Ti y , M b-xy ) b O c (P)
(In the formula, A: an element of A site, and at least one element including Pb.
M represents one or more metal elements.
0 <x <b, 0 <y <b, 0 ≦ b−xy.
Although a: b: c = 1: 1: 3 is a standard, these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range where a perovskite structure can be taken. )
前記圧電体の温度を、前記圧電装置の使用環境下にて前記圧電体上に結露が生じる露点より高く80℃以下の制御温度範囲内に制御して、駆動を行うことを特徴とする圧電素子の駆動方法。 In a piezoelectric element driving method including a piezoelectric body and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric body,
The piezoelectric element is driven by controlling the temperature of the piezoelectric body within a control temperature range of 80 ° C. or less higher than a dew point at which dew condensation occurs on the piezoelectric body under the usage environment of the piezoelectric device. Driving method.
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