JP4307164B2 - Liquid ejection apparatus and method for correcting stray capacitance - Google Patents

Liquid ejection apparatus and method for correcting stray capacitance Download PDF

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    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, e.g. INK-JET PRINTERS, THERMAL PRINTERS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14491Electrical connection

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ、液体吐出装置及びその浮遊容量の補正方法、並びに電子機器に関し、より詳しくは、例えば、加速度センサ、ノッキングセンサ、AEセンサ等の圧電センサ、燃料噴射用インクジェクター、インクジェットプリンタ用印刷ヘッド、圧電共振子、発振器、超音波モーター、超音波振動子、フィルタ等に適する圧電アクチュエータと、特に、圧電アクチュエータの広がり振動、伸び振動、厚み縦振動を利用した印刷ヘッドに代表される液滴吐出装置とその浮遊容量の補正方法、並びに、液滴吐出装置を用いたプリンタ等の電子機器に関する。
【0002】
【従来技術】
従来より、圧電セラミックスを利用して、例えば、圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子(発信子を含む)、超音波振動子、超音波モーター、圧電センサ等が製品化されている。
【0003】
これらの中で、圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度が10−6秒台と非常に高速であるため、半導体製造装置のXYステージの位置決め用圧電アクチュエータや、インクジェットプリンタの印刷ヘッドに代表される液滴吐出装置として応用されている。
【0004】
図4(a)は従来のインクジェット方式を利用した液滴吐出装置のひとつである印刷ヘッドを示す概略断面図、(b)は、圧電セラミックス層上に形成した駆動部とランド部とからなる表面電極を示す平面図である。同図に示すように、この印刷ヘッドは、圧電アクチュエータ101を介して、その下層側にインクを吐出するための流路部材103が設けられ、一方、上層側には、この圧電アクチュエータ101に接続された配線基板105と、この配線基板105を通じて駆動電圧を供給するためのドライブ回路107とが備えられている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
ここで、流路部材103は、インク吐出孔109とインク加圧室111とが一対となり隔壁113を介して複数形成され、これら一対のインク吐出孔109およびインク加圧室111と、圧電アクチュエータ101の最表面に形成された表面電極115とは位置を揃えて構成されている。
【0006】
圧電アクチュエータ101は、積層された複数の圧電セラミック層117と、これらの圧電セラミック層117の間に配置された少なくとも1層の共通電極119と、最上層の前記圧電セラミック層117の表面に複数配列され、圧電駆動に寄与する駆動部115aと、この駆動部115aの一端に接続された駆動電圧印加用のランド部115bとからなる表面電極115とを備えて構成されている。通常、ランド部115bの面積は、図4(b)に示すように、略同一面積(A1=A2)にて形成される。
【0007】
このような印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ101には、外部から駆動電圧が供給され、共通電極119と所定の表面電極115との間に電圧を印加して、この表面電極115直下の圧電セラミック層117を変位させることにより、インク加圧室111内のインクを加圧して、流路部材103の底面に開口したインク吐出口109よりインク滴を吐出する。
【0008】
そして、圧電アクチュエータ101に外部から駆動電圧を印加する表面電極115は、例えば、図4(a)、(b)に示すように、上記したように変位にかかわる駆動部115aと、外部からの駆動電圧信号を入力するためのランド部115bとに分けられ、駆動部115a直下の振動板103に接合された圧電セラミックス層117の変形を阻害しない構造となっている。このためランド部115bには、はんだ付けやワイヤーボンディングによって駆動電圧信号を入力するために配線基板105から導出されている配線121を直に接続でき、こうして、ドライブ回路107で発生させた駆動電圧信号を配線基板105を通じてランド部115bに供給することにより隣接する駆動部115aのみを駆動させることができる。ここで圧電アクチュエータ101を駆動部115aごとに区分した領域を変位素子123という。
【0009】
【特許文献1】
特開平11−34321号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電セラミックス層117の同一面上に複数の変位素子123が並設されているような上記した圧電アクチュエータ101では、ドライブ回路107から複数の表面電極115に対して個々に配線121の接続が行われており、このためドライブ回路107から配線基板105を介して表面電極115に至る信号経路125の長さの違いや近接間距離の違いによって、配線121間の浮遊容量が異なるために、ドライブ回路107から配線基板105を経て変位素子123に伝送される信号にばらつきが生じることになる。特に駆動信号の立ちあがり時において、変位素子123間で応答挙動が不均一となり、このため圧電アクチュエータ101の変位挙動のばらつきが大きくなるという問題があった。
【0011】
従って、本発明は、浮遊容量の変化による変位挙動のばらつきの少ない液体吐出装置およびその浮遊容量の補正方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記のような課題について鋭意検討した結果、圧電アクチュエータの表面に形成された表面電極のうち、ランド部の面積を不均一に形成することにより、圧電アクチュエータを駆動させるためのドライブ回路から表面電極に至る信号経路に発生する浮遊容量の変化による変位挙動のばらつきを低減できるという目的を達成できることを見いだした。
【0016】
本発明の液体吐出装置は、積層された複数の圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の間に配置された少なくとも1層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に複数配列され、圧電駆動に寄与する駆動部および該駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部からなる表面電極とを備えた圧電アクチュエータと、インク吐出孔をそれぞれ有する複数のインク加圧室が設けられ、該インク加圧室と前記表面電極の前記駆動部との位置を揃えて、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材と、前記駆動部直下の前記圧電セラミック層が変形可能に前記圧電アクチュエータ上のランド部に接続された配線基板と、該配線基板を通じて前記圧電アクチュエータ上に形成された前記複数の表面電極の各々に駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路とを備えるとともに、前記表面電極、前記配線基板および前記ドライブ回路により構成される信号経路上に、面積の大きさが調整されて不均一な面積で形成されている前記ランド部である浮遊容量補正手段を設けたことを特徴とするものであ
【0017】
さらに、本発明の液体吐出装置に関し、その浮遊容量の補正方法について言及すると、それは、積層された複数の圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の間に配置された少なくとも1層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に複数配列され、圧電駆動に寄与する駆動部および該駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部からなる表面電極とを備えた圧電アクチュエータと、インク吐出孔をそれぞれ有する複数のインク加圧室が設けられ、該インク加圧室と前記表面電極の前記駆動部との位置を揃えて、前記駆動部直下の前記圧電セラミック層が変形可能に前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材と、前記圧電アクチュエータ上のランド部に接続された配線基板と、該配線基板を通じて前記圧電アクチュエータ上に形成された前記複数の表面電極の各々に駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路とを備え、駆動電圧信号を発生するドライブ回路から圧電アクチュエータの表面電極に至る信号経路において発生する浮遊容量を、前記ランド部を不均一な面積にして形成することにより調整することを特徴とするものである
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に用いられる圧電アクチュエータについて詳細に説明する。図1は本発明に用いられる圧電アクチュエータを示す概略断面図である。
【0019】
本発明に用いられる圧電アクチュエータ1は、積層された複数の圧電セラミック層3と、これら圧電セラミック層3の間に配置された少なくとも1層の共通電極5と、最上層の前記圧電セラミック層3の表面に複数配列された表面電極7により構成されている。ここで圧電アクチュエータ1を駆動部7aごとに区分した領域を変位素子9という。
【0020】
図2は、最上層の圧電セラミック層上に形成された表面電極構造を示した平面図である。本発明の表面電極7は、圧電駆動に寄与する駆動部7aと、この駆動部7aの一端に接続された駆動電圧印加用のランド部7bとから構成されている。
【0021】
本発明ではランド部7bの面積を不均一に形成したことが重要であり、その面積の最小値A1に対する最大値A2の比は1.2以上であることがより望ましい。
【0022】
図3は、本発明の圧電アクチュエータ及びこれを用いた液体吐出装置のひとつである印刷ヘッドの概略断面図である。
【0023】
本発明に係る印刷ヘッド11は、圧電アクチュエータ1を介して、その下層側にインクを吐出するための流路部材13が設けられ、一方、上層側には、この圧電アクチュエータ1の表面電極7に接続された配線基板15と、この配線基板15を通じて駆動電圧を供給するためのドライブ回路17とが備えられている。これらドライブ回路17、配線基板15、および表面電極7により信号経路19が構成されている。
【0024】
ここで、流路部材13は、インク吐出孔21とインク加圧室23とが一対となり隔壁25を介して複数形成され、これら一対のインク吐出孔21およびインク加圧室23と、圧電アクチュエータ1の最表面に形成された表面電極7とは位置を揃えて構成されている。
【0025】
配線基板15は、例えば、フレキシブル配線基板やボールグリッドアレイ(BGA)など複数の配線15bが絶縁層15aの表面、あるいは、表面および内部に形成されているものであれば好適に用いることができる。そして、配線15bとランド部7aとは半田付けやワイヤーボンディングによって接続される。
【0026】
ドライブ回路17は、前記配線基板15を介して圧電アクチュエータ1上に形成された複数の表面電極7に駆動電圧信号を供給するためのものであるが、このようにドライブ回路17、配線基板15、および表面電極7により構成される信号経路19には、一般に浮遊容量が発生する。
【0027】
そこで本発明の印刷ヘッド11は、信号経路19上において浮遊容量補正手段を設けたことを特徴とするものであり、この浮遊容量補正手段、即ち、浮遊容量の補正方法は表面電極7を構成するランド部7bの面積の大きさを調整して行われるものである。
【0028】
そして、上記のようなランド部7bの構造を有する本発明の圧電アクチュエータ1は、前記印刷ヘッド11を用いたプリンタなどの電子機器に好適に用いることができる。
【0029】
このような印刷ヘッド11に用いられる圧電アクチュエータ1には、外部から駆動電圧が供給され、共通電極5と表面電極7との間に電圧を印加して、この表面電極7直下の圧電セラミック層3を変位させることにより、インク加圧室23内のインクを加圧して、流路部材13の底面に開口したインク吐出口21よりインク滴を吐出する。
【0030】
圧電セラミック層3としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT系)、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN系)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN系)、またはこれらの少なくとも1種を主成分とする圧電セラミックスが好適に用いられる。なお、圧電セラミック層3は厚み方向に互いに相対する方向に分極してある。圧電セラミック層3の厚みは、8〜30μm、好ましくは10〜20μmであるのがよい。
【0031】
共通電極5は、Ag、Pd、Pt、Rh、Au、Niの単独もしくは2種以上の組み合わせ、好適にはAg−Pd系合金によって形成されることが望ましく、この圧電セラミック層3と共通電極5とは同時焼成される。共通電極5の厚みは、0.5〜5μm、好ましくは1〜3μmであるのがよい。
【0032】
表面電極7は、Ag、Pd、Pt、Rh、Au系材料、Niの単独もしくは2種以上の組み合わせ、好適にはAu系材料によって形成されることが望ましい。
【0033】
次に、圧電アクチュエータ1の製造方法について説明する。まず、前記した圧電セラミックスの粉末を用いて圧電体シートを必要枚数形成した後、この圧電体シートにスクリーン印刷を用いて圧電体シートの略全面に共通電極パターンを形成する。ついで、共通電極パターンが形成された圧電体シートに対して、共通電極パターンを狭持するように、圧電体シートを積層して積層体を形成する。
【0034】
次に、この積層体を所定の形状に切断した後、900〜1100℃程度で焼成して圧電アクチュエータ本体を形成する。
【0035】
最後に、この圧電アクチュエータ本体の表面に導電ペーストを印刷して、所定の駆動部パターンおよびランド部パターンを形成して、600〜800℃程度で焼成する。これにより圧電アクチュエータ1を得ることができる。
【0036】
一方、流路部材13は、厚さ30〜100μm程度の金属箔の積層体からなり、各金属箔にエッチングや金型による打ち抜き等によってインク加圧室23、インク吐出孔21等がそれぞれ形成される。使用する金属としては、例えば、ステンレス箔、鉄−ニッケル系合金箔、チタン箔等があげられる。
【0037】
このようにして作製した流路部材13のインク加圧室23と上記圧電アクチュエータ1上に形成された駆動部7aとが対応するように位置を揃えて、圧電アクチュエータ1と流路部材13とを接合し、さらに、この圧電アクチュエータ1のランド部7bに、半田付けやワイヤボンディングなどの金属接合を用いて、グランドおよび駆動用の配線15bをそれぞれ形成した配線基板15を接合する。
【0038】
次に、圧電アクチュエータ1のランド部7bを配線基板15の配線15bを介して駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路17に結線する。
【0039】
このようにして構成した印刷ヘッド11では、圧電アクチュエータ1に外部から駆動電圧を印加する表面電極7が、変位にかかわる駆動部7aと、外部からの駆動電圧信号を入力するためのランド部7bとに分けられ、駆動部7a直下の圧電セラミックス層3の変形を阻害しない構造となっていることから、ランド部7bには、はんだ付けやワイヤーボンディングによって駆動電圧信号を入力するために配線基板15から導出されている配線15bを直に接続でき、ドライブ回路17で発生させた駆動電圧信号を配線基板15を通じてランド部15bに供給することにより隣接する駆動部7aのみを駆動させることができる。こうして、駆動信号源を分岐することなく簡単な構造で吐出速度のばらつきを従来品に比べて低くでき高精度の印刷ヘッドを実現できる。
【0040】
【実施例】
まず、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするセラミック粉末を用いて厚み25μmのグリーンシートを作製した。次に、得られたグリーンシートを50mm×50mmに裁断して2枚1組に分類した後、2枚1組のうち1枚のグリーンシートの略全面に、Ag−Pdを7:3の割合で含む金属ペーストを印刷し、共通電極パターンを形成した。
【0041】
そして、上記金属ペーストを印刷した面に、他の1枚のグリーンシートを重ね合わせた後、60℃、5Mpaの条件で熱圧着してグリーンシートの積層体を形成した。次に、この積層体を大気中で脱脂した後、同雰囲気中にて1000℃で2時間焼成した。この後、圧電セラミック層の最表面に、表1に示す所定のパターンを有するスクリーンを用いてAuを含有する金属ペーストを印刷し、ピーク温度600℃の連続炉を通過させて厚み約5μmの表面電極を形成した。
【0042】
次に、打ち抜き加工によってインク加圧室を形成した厚み100μmの金属箔と、このインク加圧室に連通するインク流路およびインク吐出孔をエッチングや金型プレスを用いた打ち抜き加工によって形成した厚み100μm及び40μmのステンレス箔を接着剤にて貼り合わせることにより流路部材を形成した。
【0043】
次に、上記圧電アクチュエータの駆動部と流路部材のインク加圧室との位置を揃えて接着剤により接着した。しかる後、この表面電極のランド部に配線基板の端子を合せてハンダ付けし、圧電アクチュエータ上に配線基板を接続した。さらに、この配線基板をドライブ回路に接続することにより本発明の印刷ヘッドを得た。各変位素子の静電容量はLCRメータを用いて測定した。信号経路の浮遊容量は、これもLCRメータを用い、配線基板上の配線の延長上にコンデンサを挿入し、その有無の差により求めた。応答ばらつきおよび吐出ばらつきはドライブ回路から所定の信号を送信して評価した。
【0044】
【表1】
【0045】
作製した本発明の印刷ヘッドの圧電アクチュエータでは、配線基板の各端子に接合されるランド部の面積をランド部の面積の最小値A1に対する最大値A2の比を1.1〜1.4とした各変位素子の静電容量は340〜380pF、信号経路の浮遊容量が20〜40pFであった。ここでドライブ回路からの最大電圧を30Vとし、立ち上がり/下がり時間を1〜5μsとした台形波を一律に入力したときの変位の応答時間のばらつきが10%以下であった。このような圧電アクチュエータを印刷ヘッドに用いたところ、駆動信号源を分岐することなく簡単な構造で吐出速度のばらつきが10%以下となり従来品に比べて高精度のヘッドを実現できた。
【0046】
特に、ランド部の面積をランド部の面積の最小値A1に対する最大値A2の比を1.2〜1.4としたときの各変位素子の静電容量は360〜380pF、信号経路の浮遊容量が20〜30pFとなり、このような圧電アクチュエータでは応答ばらつきが6%以下、印刷ヘッドにおける吐出速度のばらつきが7%とさらに改善できた。
【0047】
次に、比較例として、ランド部の面積を一様とした以外は上記した本発明の圧電アクチュエータと同様の圧電アクチュエータを作製した。この圧電アクチュエータでは各変位素子における静電容量が300〜330pF、信号経路上の浮遊容量は10〜60pFであった。また、圧電アクチュエータに最大電圧が30Vで立ち上がり/下がり時間が1〜5μsの台形波を一律に入力したときの変位の応答時間のばらつきが25%であった。また、このような圧電アクチュエータを印刷ヘッドに用いた場合、吐出速度のばらつきが20%であった。
【0048】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明の液体吐出装置では、積層された複数の圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の間に配置された少なくとも1層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に複数配列され、圧電駆動に寄与する駆動部および該駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部からなる表面電極とを備えた圧電アクチュエータと、インク吐出孔をそれぞれ有する複数のインク加圧室が設けられ、該インク加圧室と前記表面電極の前記駆動部との位置を揃えて、前記駆動部直下の前記圧電セラミック層が変形可能に前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材と、前記圧電アクチュエータ上の前記ランド部に接続された配線基板と、該配線基板を通じて前記圧電アクチュエータ上に形成された前記複数の表面電極の各々に駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路とを備えるとともに、前記表面電極、前記配線基板および前記ドライブ回路により構成される信号経路上に、面積の大きさが調整されて不均一な面積で形成されている前記ランド部である浮遊容量補正手段を設けたことにより、圧電アクチュエータを駆動させるためのドライブ回路から表面電極に至る信号経路に発生する浮遊容量の変化による変位挙動のばらつきを低減できる
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明に用いられる圧電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図2】 図2は、最上層の圧電セラミック層上に形成された表面電極構造を示した平面図である。
【図3】 図3は、本発明に用いられる圧電アクチュエータ及びこれを用いた本発明の液体吐出装置のひとつである印刷ヘッドの概略断面図である。
【図4】 (a)は従来のインクジェット方式を利用した液滴吐出装置のひとつである印刷ヘッドを示す概略断面図、(b)は、圧電セラミックス層上に形成した駆動部とランド部とからなる表面電極を示す平面図である
【符号の説明】
1、101・・・・・・・・・圧電アクチュエータ
5、119・・・・・・・・・共通電極
7、115・・・・・・・・・表面電極
7a、115a・・・・・・・駆動部
7b、115b・・・・・・・ランド部
13、103・・・・・・・・流路部材
15、105・・・・・・・・配線基板
17、107・・・・・・・・ドライブ回路
19、125・・・・・・・・信号経路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric actuator, a liquid ejection device, a method for correcting a floating capacity thereof, and an electronic device. More specifically, for example, piezoelectric sensors such as an acceleration sensor, a knocking sensor, and an AE sensor, a fuel ejection ink jet, and an inkjet printer Piezoelectric actuators suitable for printing heads, piezoelectric resonators, oscillators, ultrasonic motors, ultrasonic vibrators, filters, etc., and in particular, print heads that use spreading vibration, elongation vibration, and thickness longitudinal vibration of piezoelectric actuators The present invention relates to a droplet discharge device, a method for correcting the stray capacitance, and an electronic device such as a printer using the droplet discharge device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, piezoelectric actuators, filters, piezoelectric resonators (including oscillators), ultrasonic vibrators, ultrasonic motors, piezoelectric sensors, and the like have been commercialized using piezoelectric ceramics.
[0003]
Among these, the piezoelectric actuator has a very high response speed with respect to an electric signal of 10 −6 seconds, so it is represented by a piezoelectric actuator for positioning an XY stage of a semiconductor manufacturing apparatus and a print head of an ink jet printer. It is applied as a droplet discharge device.
[0004]
FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing a print head which is one of conventional droplet discharge devices using an inkjet method, and FIG. 4B is a surface composed of a drive unit and a land unit formed on a piezoelectric ceramic layer. It is a top view which shows an electrode. As shown in the figure, the print head is provided with a flow path member 103 for discharging ink to the lower layer side via the piezoelectric actuator 101, while the upper layer side is connected to the piezoelectric actuator 101. And a drive circuit 107 for supplying a drive voltage through the wiring substrate 105 (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
Here, the flow path member 103 includes a pair of the ink discharge hole 109 and the ink pressurizing chamber 111 and is formed through a partition wall 113, and the pair of the ink discharge hole 109, the ink pressurizing chamber 111, and the piezoelectric actuator 101. The surface electrode 115 formed on the outermost surface of the electrode is configured to be aligned.
[0006]
The piezoelectric actuator 101 includes a plurality of laminated piezoelectric ceramic layers 117, at least one common electrode 119 disposed between the piezoelectric ceramic layers 117, and a plurality of piezoelectric actuators arranged on the surface of the uppermost piezoelectric ceramic layer 117. The driving unit 115a contributes to piezoelectric driving, and a surface electrode 115 including a driving voltage application land unit 115b connected to one end of the driving unit 115a. Usually, the area of the land portion 115b is formed with substantially the same area (A1 = A2) as shown in FIG.
[0007]
A driving voltage is supplied to the piezoelectric actuator 101 used in such a print head from the outside, and a voltage is applied between the common electrode 119 and a predetermined surface electrode 115, and the piezoelectric ceramic layer immediately below the surface electrode 115. By displacing 117, the ink in the ink pressurizing chamber 111 is pressurized, and ink droplets are ejected from the ink ejection port 109 opened in the bottom surface of the flow path member 103.
[0008]
For example, as shown in FIGS. 4A and 4B, the surface electrode 115 for applying a driving voltage to the piezoelectric actuator 101 from the outside is driven by the driving unit 115a related to the displacement as described above and driven from the outside. It is divided into a land portion 115b for inputting a voltage signal, and has a structure that does not hinder the deformation of the piezoelectric ceramic layer 117 joined to the diaphragm 103 directly below the drive portion 115a. For this reason, the land 121b can be directly connected to the wiring 121 derived from the wiring board 105 in order to input the driving voltage signal by soldering or wire bonding. Thus, the driving voltage signal generated by the drive circuit 107 can be connected. Is supplied to the land portion 115b through the wiring substrate 105, so that only the adjacent driving portion 115a can be driven. Here, a region in which the piezoelectric actuator 101 is divided for each drive unit 115 a is referred to as a displacement element 123.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-34321
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described piezoelectric actuator 101 in which a plurality of displacement elements 123 are arranged in parallel on the same surface of the piezoelectric ceramic layer 117, the wiring 121 is individually connected from the drive circuit 107 to the plurality of surface electrodes 115. For this reason, the stray capacitance between the wirings 121 differs depending on the difference in the length of the signal path 125 from the drive circuit 107 to the surface electrode 115 via the wiring substrate 105 and the difference in the distance between the proximity. Variations occur in signals transmitted from the circuit 107 to the displacement element 123 via the wiring substrate 105. In particular, when the drive signal rises, the response behavior is not uniform among the displacement elements 123, so that there is a problem that the variation in the displacement behavior of the piezoelectric actuator 101 becomes large.
[0011]
Accordingly, the present invention is to provide a correction how a few have liquid discharge device and a stray capacitance of the variation in displacement behavior due to changes in the stray capacitance.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies on the above-described problems, the present inventor has formed a non-uniform land area among the surface electrodes formed on the surface of the piezoelectric actuator, thereby driving the piezoelectric actuator. It was found that the purpose of reducing the variation in displacement behavior due to the change in the stray capacitance generated in the signal path from the circuit to the surface electrode can be achieved.
[0016]
The liquid ejection device of the present invention is a plurality of laminated piezoelectric ceramic layers, at least one common electrode disposed between the piezoelectric ceramic layers, and a plurality of layers arranged on the surface of the uppermost piezoelectric ceramic layer, A piezoelectric actuator having a driving part contributing to piezoelectric driving and a surface electrode composed of a land part for applying a driving voltage connected to one end of the driving part, and a plurality of ink pressurizing chambers each having an ink discharge hole are provided. The ink pressurizing chamber is aligned with the drive portion of the surface electrode , and the flow path member attached to the lowermost piezoelectric ceramic layer of the piezoelectric actuator, and the piezoelectric member directly below the drive portion a wiring board ceramic layer is connected to the land portions on deformable said piezoelectric actuator, said that through the wiring substrate is formed on the piezoelectric actuator Together and a drive circuit for supplying each drive voltage signal of the number of surface electrodes, the surface electrodes, the wiring substrate and the drive circuit by signals comprised on the path, the size of the area is adjusted Ru der which is characterized in that a stray capacitance correction unit which is the land portion which is formed in a non-uniform area.
[0017]
Further, regarding the liquid ejection apparatus of the present invention, when referring to the correction method of the stray capacitance, it includes a plurality of stacked piezoelectric ceramic layers, at least one common electrode disposed between the piezoelectric ceramic layers, are arrayed on the surface of the uppermost layer of the piezoelectric ceramic layer, a piezoelectric actuator and a surface electrode made of a land portion for connecting drive voltage applied to one end of the contributing driver to a piezoelectric drive and the drive unit, A plurality of ink pressurizing chambers each having an ink discharge hole are provided, and the piezoelectric pressurizing layer directly below the drive unit is deformable by aligning the positions of the ink pressurization chamber and the drive unit of the surface electrode. A flow path member attached to the lowermost piezoelectric ceramic layer of the piezoelectric actuator and a wiring board connected to a land portion on the piezoelectric actuator A drive circuit for supplying a drive voltage signal to each of the plurality of surface electrodes formed on the piezoelectric actuator through the wiring board, and from the drive circuit that generates the drive voltage signal to the surface electrode of the piezoelectric actuator the stray capacitance generated in the signal path, is characterized in that the front Kira command unit adjusts by forming in the non-uniform area.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the piezoelectric actuator used in the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a piezoelectric actuator used in the present invention.
[0019]
The piezoelectric actuator 1 used in the present invention includes a plurality of laminated piezoelectric ceramic layers 3, at least one common electrode 5 disposed between the piezoelectric ceramic layers 3, and the uppermost piezoelectric ceramic layer 3. A plurality of surface electrodes 7 are arranged on the surface. Here, a region where the piezoelectric actuator 1 is divided for each drive unit 7 a is referred to as a displacement element 9.
[0020]
FIG. 2 is a plan view showing a surface electrode structure formed on the uppermost piezoelectric ceramic layer. The surface electrode 7 of the present invention includes a drive unit 7a that contributes to piezoelectric driving and a land portion 7b for applying drive voltage connected to one end of the drive unit 7a.
[0021]
In the present invention, it is important that the area of the land portion 7b is formed non-uniformly, and the ratio of the maximum value A2 to the minimum value A1 of the area is more preferably 1.2 or more.
[0022]
FIG. 3 is a schematic sectional view of a print head which is one of the piezoelectric actuator of the present invention and a liquid ejection apparatus using the same.
[0023]
The print head 11 according to the present invention is provided with a flow path member 13 for discharging ink to the lower layer side via the piezoelectric actuator 1, while the upper layer side is provided with the surface electrode 7 of the piezoelectric actuator 1. A connected wiring board 15 and a drive circuit 17 for supplying a driving voltage through the wiring board 15 are provided. The drive circuit 17, the wiring substrate 15, and the surface electrode 7 constitute a signal path 19.
[0024]
Here, the flow path member 13 includes a pair of the ink discharge holes 21 and the ink pressurizing chambers 23, and a plurality of the flow path members 13 are formed via the partition walls 25. The pair of ink discharge holes 21, the ink pressurizing chambers 23, and the piezoelectric actuator 1. The front surface electrode 7 formed on the outermost surface is configured to be aligned.
[0025]
The wiring board 15 can be suitably used as long as a plurality of wirings 15b such as a flexible wiring board and a ball grid array (BGA) are formed on the surface of the insulating layer 15a or on the surface and inside thereof. The wiring 15b and the land portion 7a are connected by soldering or wire bonding.
[0026]
The drive circuit 17 is for supplying a drive voltage signal to the plurality of surface electrodes 7 formed on the piezoelectric actuator 1 via the wiring board 15. In this way, the drive circuit 17, the wiring board 15, In addition, a stray capacitance is generally generated in the signal path 19 constituted by the surface electrode 7.
[0027]
Therefore, the print head 11 of the present invention is characterized in that stray capacitance correction means is provided on the signal path 19. This stray capacitance correction means, that is, the stray capacitance correction method constitutes the surface electrode 7. This is performed by adjusting the size of the area of the land portion 7b.
[0028]
And the piezoelectric actuator 1 of this invention which has the structure of the above-mentioned land part 7b can be used suitably for electronic devices, such as a printer using the said print head 11. FIG.
[0029]
A drive voltage is supplied from the outside to the piezoelectric actuator 1 used for such a print head 11, and a voltage is applied between the common electrode 5 and the surface electrode 7, and the piezoelectric ceramic layer 3 immediately below the surface electrode 7. , The ink in the ink pressurizing chamber 23 is pressurized, and ink droplets are ejected from the ink ejection port 21 opened in the bottom surface of the flow path member 13.
[0030]
As the piezoelectric ceramic layer 3, lead zirconate titanate (PZT type), lead magnesium niobate (PMN type), lead nickel niobate (PNN type), or piezoelectric ceramics mainly composed of at least one of these is preferable. Used for. The piezoelectric ceramic layer 3 is polarized in the direction opposite to each other in the thickness direction. The thickness of the piezoelectric ceramic layer 3 is 8 to 30 μm, preferably 10 to 20 μm.
[0031]
The common electrode 5 is desirably formed of Ag, Pd, Pt, Rh, Au, Ni, or a combination of two or more, preferably an Ag—Pd alloy, and the piezoelectric ceramic layer 3 and the common electrode 5 And co-firing. The common electrode 5 has a thickness of 0.5 to 5 μm, preferably 1 to 3 μm.
[0032]
The surface electrode 7 is desirably formed of Ag, Pd, Pt, Rh, an Au-based material, Ni alone or a combination of two or more, and preferably an Au-based material.
[0033]
Next, a method for manufacturing the piezoelectric actuator 1 will be described. First, a required number of piezoelectric sheets are formed using the above-described piezoelectric ceramic powder, and then a common electrode pattern is formed on substantially the entire surface of the piezoelectric sheet using screen printing on the piezoelectric sheet. Next, the piezoelectric sheet is laminated on the piezoelectric sheet on which the common electrode pattern is formed so as to sandwich the common electrode pattern, thereby forming a laminate.
[0034]
Next, this laminated body is cut into a predetermined shape and then fired at about 900 to 1100 ° C. to form a piezoelectric actuator body.
[0035]
Finally, a conductive paste is printed on the surface of the piezoelectric actuator main body to form predetermined drive part patterns and land part patterns, which are fired at about 600 to 800 ° C. Thereby, the piezoelectric actuator 1 can be obtained.
[0036]
On the other hand, the flow path member 13 is made of a laminate of metal foils having a thickness of about 30 to 100 μm, and ink pressurizing chambers 23, ink discharge holes 21 and the like are formed on the respective metal foils by etching or punching with a mold. The Examples of the metal used include stainless steel foil, iron-nickel alloy foil, and titanium foil.
[0037]
The piezoelectric actuator 1 and the flow path member 13 are aligned by aligning the positions so that the ink pressurizing chamber 23 of the flow path member 13 manufactured in this way corresponds to the drive unit 7a formed on the piezoelectric actuator 1. Further, the wiring substrate 15 on which the ground and the driving wiring 15b are respectively formed is bonded to the land portion 7b of the piezoelectric actuator 1 by using metal bonding such as soldering or wire bonding.
[0038]
Next, the land portion 7 b of the piezoelectric actuator 1 is connected to a drive circuit 17 for supplying a drive voltage signal via the wiring 15 b of the wiring substrate 15.
[0039]
In the print head 11 configured as described above, the surface electrode 7 for applying a driving voltage from the outside to the piezoelectric actuator 1 includes a driving unit 7a for displacement and a land unit 7b for inputting a driving voltage signal from the outside. In order to input a driving voltage signal to the land portion 7b by soldering or wire bonding, the wiring substrate 15 is used to input the driving voltage signal to the land portion 7b. The derived wiring 15b can be directly connected, and the drive voltage signal generated by the drive circuit 17 can be supplied to the land portion 15b through the wiring substrate 15 to drive only the adjacent driving portion 7a. In this way, it is possible to reduce the variation in the ejection speed with a simple structure without branching the drive signal source, and to realize a highly accurate print head.
[0040]
【Example】
First, a green sheet having a thickness of 25 μm was prepared using ceramic powder mainly composed of lead zirconate titanate. Next, the obtained green sheet was cut into 50 mm × 50 mm and classified into a set of two sheets, and then Ag—Pd was applied in a ratio of 7: 3 on substantially the entire surface of one of the two sheets. The metal paste contained in was printed to form a common electrode pattern.
[0041]
Then, another green sheet was overlaid on the surface on which the metal paste was printed, and then thermocompression bonded under conditions of 60 ° C. and 5 Mpa to form a green sheet laminate. Next, this laminate was degreased in the air and then fired at 1000 ° C. for 2 hours in the same atmosphere. Thereafter, a metal paste containing Au is printed on the outermost surface of the piezoelectric ceramic layer by using a screen having a predetermined pattern shown in Table 1, and the surface is passed through a continuous furnace having a peak temperature of 600 ° C. and has a thickness of about 5 μm. An electrode was formed.
[0042]
Next, a metal foil having a thickness of 100 μm in which an ink pressurizing chamber is formed by punching, and an ink flow path and ink discharge holes communicating with the ink pressurizing chamber are formed by punching using etching or a die press. A flow path member was formed by bonding 100 μm and 40 μm stainless steel foil with an adhesive.
[0043]
Next, the position of the drive part of the piezoelectric actuator and the ink pressurizing chamber of the flow path member were aligned and adhered with an adhesive. After that, the terminals of the wiring board were aligned with the land portions of the surface electrodes and soldered, and the wiring board was connected on the piezoelectric actuator. Furthermore, the print head of the present invention was obtained by connecting this wiring board to a drive circuit. The capacitance of each displacement element was measured using an LCR meter. The stray capacitance of the signal path was also obtained by using a LCR meter, inserting a capacitor on the extension of the wiring on the wiring board, and determining the difference in presence or absence. Response variations and ejection variations were evaluated by transmitting predetermined signals from the drive circuit.
[0044]
[Table 1]
[0045]
In the manufactured piezoelectric actuator of the print head according to the present invention, the area of the land portion bonded to each terminal of the wiring board is set such that the ratio of the maximum value A2 to the minimum value A1 of the land area is 1.1 to 1.4. The capacitance of each displacement element was 340 to 380 pF, and the stray capacitance of the signal path was 20 to 40 pF. Here, the variation in the response time of the displacement was 10% or less when a trapezoidal wave having a maximum voltage from the drive circuit of 30 V and a rise / fall time of 1 to 5 μs was uniformly input. When such a piezoelectric actuator was used for the print head, the ejection speed variation was 10% or less with a simple structure without branching the drive signal source, and a head with higher accuracy than the conventional product could be realized.
[0046]
In particular, the capacitance of each displacement element is 360 to 380 pF when the ratio of the maximum value A2 to the minimum value A1 of the land area is 1.2 to 1.4, and the floating capacitance of the signal path. In such a piezoelectric actuator, the response variation was 6% or less and the ejection speed variation in the print head was further improved to 7%.
[0047]
Next, as a comparative example, a piezoelectric actuator similar to the above-described piezoelectric actuator of the present invention was produced except that the land area was uniform. In this piezoelectric actuator, the capacitance of each displacement element was 300 to 330 pF, and the stray capacitance on the signal path was 10 to 60 pF. In addition, when the trapezoidal wave having a maximum voltage of 30 V and a rise / fall time of 1 to 5 μs was uniformly input to the piezoelectric actuator, the variation in the response time of the displacement was 25%. Further, when such a piezoelectric actuator was used for a print head, the variation in the ejection speed was 20%.
[0048]
【The invention's effect】
As described above in detail, in the liquid ejection device of the present invention, a plurality of stacked piezoelectric ceramic layers, at least one common electrode disposed between the piezoelectric ceramic layers, and the uppermost piezoelectric ceramic layer A plurality of piezoelectric actuators arranged on the surface of the layer, each having a drive part contributing to piezoelectric driving and a surface electrode comprising a land part for applying a driving voltage connected to one end of the driving part, each having an ink ejection hole A plurality of ink pressurization chambers are provided, and the lowermost layer of the piezoelectric actuator is provided so that the piezoelectric pressurization chamber can be deformed by aligning the positions of the ink pressurization chambers and the drive unit of the surface electrode. A flow path member attached to the piezoelectric ceramic layer, a wiring board connected to the land portion on the piezoelectric actuator, and the piezoelectric actuator through the wiring board. And a drive circuit for supplying a drive voltage signal to each of the plurality of surface electrodes formed on a rotor, and an area on a signal path constituted by the surface electrode, the wiring board, and the drive circuit Is generated in the signal path from the drive circuit for driving the piezoelectric actuator to the surface electrode by providing the stray capacitance correction means which is the land portion having a non-uniform area formed by adjusting the size of Variations in displacement behavior due to changes in stray capacitance can be reduced .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a piezoelectric actuator used in the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a surface electrode structure formed on the uppermost piezoelectric ceramic layer.
Figure 3 is a schematic cross-sectional view of the print head, one of the liquid discharge apparatus of the present invention using the piezoelectric actuator and which are used in the present invention.
FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing a print head which is one of conventional droplet discharge devices using an ink jet method, and FIG. 4B is a diagram showing a drive unit and a land unit formed on a piezoelectric ceramic layer. It is a top view which shows the surface electrode which becomes .
[Explanation of symbols]
1, 101... Piezoelectric actuator 5, 119... Common electrode 7, 115. ..Drive section 7b, 115b .... Land section 13, 103... Flow path member 15, 105. .... Drive circuits 19 and 125 ... Signal path

Claims (2)

  1. 積層された複数の圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の間に配置された少なくとも1層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に複数配列され、圧電駆動に寄与する駆動部および該駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部とからなる表面電極を備えた圧電アクチュエータと、インク吐出孔をそれぞれ有する複数のインク加圧室が設けられ、該インク加圧室と前記表面電極の前記駆動部との位置を揃えて、前記駆動部直下の前記圧電セラミック層が変形可能に前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材と、前記圧電アクチュエータ上の前記ランド部に接続された配線基板と、該配線基板を通じて前記圧電アクチュエータ上に形成された前記複数の表面電極の各々に駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路とを備えるとともに、前記表面電極、前記配線基板および前記ドライブ回路により構成される信号経路上に、面積の大きさが調整されて不均一な面積で形成されている前記ランド部である浮遊容量補正手段を設けたことを特徴とする液体吐出装置。 A plurality of laminated piezoelectric ceramic layers, at least one common electrode disposed between the piezoelectric ceramic layers, a plurality of arranged on the surface of the uppermost piezoelectric ceramic layer, and a driving unit contributing to piezoelectric driving; and A piezoelectric actuator having a surface electrode composed of a land for driving voltage application connected to one end of the driving unit, and a plurality of ink pressurizing chambers each having an ink discharge hole are provided, and the ink pressurizing chamber A flow path member attached to the lowermost piezoelectric ceramic layer of the piezoelectric actuator so that the piezoelectric ceramic layer directly under the drive section is deformable so that the position of the surface electrode with the driving unit is aligned; each of said the interconnection connected board to land portions, the plurality of surface electrodes formed on the piezoelectric actuator through the wiring substrate on the actuator Together and a drive circuit for supplying a drive voltage signal, said surface electrode, on a signal path formed by the wiring board and the drive circuit, and the size of the area is adjusted is formed in a non-uniform area A liquid discharge apparatus comprising: a stray capacitance correcting means which is the land portion .
  2. 積層された複数の圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の間に配置された少なくとも1層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に複数配列され、圧電駆動に寄与する駆動部および該駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部からなる表面電極とを備えた圧電アクチュエータと、インク吐出孔をそれぞれ有する複数のインク加圧室が設けられ、該インク加圧室と前記表面電極の前記駆動部との位置を揃えて、前記駆動部直下の前記圧電セラミック層が変形可能に前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材と、前記圧電アクチュエータ上の前記ランド部に接続された配線基板と、該配線基板を通じて前記圧電アクチュエータ上に形成された前記複数の表面電極の各々に駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路とを備え、駆動電圧信号を発生するドライブ回路から前記圧電アクチュエータの前記表面電極に至るまでの信号経路において発生する浮遊容量を、前記ランド部を不均一な面積にして形成することにより調整することを特徴とする液体吐出装置の浮遊容量の補正方法。 A plurality of laminated piezoelectric ceramic layers, at least one common electrode disposed between the piezoelectric ceramic layers, a plurality of arranged on the surface of the uppermost piezoelectric ceramic layer, and a driving unit contributing to piezoelectric driving; and A piezoelectric actuator having a surface electrode composed of a land portion for applying a driving voltage connected to one end of the driving unit, and a plurality of ink pressurizing chambers each having an ink discharge hole are provided, and the ink pressurizing chamber A flow path member attached to the lowermost piezoelectric ceramic layer of the piezoelectric actuator so that the piezoelectric ceramic layer directly under the drive section is deformable so that the position of the surface electrode with the driving unit is aligned; each of said the interconnection connected board to land portions, the plurality of surface electrodes formed on the piezoelectric actuator through the wiring substrate on the actuator And a drive circuit for supplying a drive voltage signal, the stray capacitance generated in the signal path from the drive circuit up to the surface electrode of the piezoelectric actuator generating a driving voltage signal, the pre Kira command unit not A method for correcting a stray capacitance of a liquid ejection apparatus, wherein the adjustment is performed by forming a uniform area.
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