JP4703167B2

JP4703167B2 - 液体吐出装置

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Publication number: JP4703167B2
Application number: JP2004318000A
Authority: JP
Inventors: 誠東別府
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2004-11-01
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-01
Also published as: JP2006129665A

Description

本発明は、圧電アクチュエータを用いる液体吐出装置に関し、例えば、燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタなどに適し、特に、広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した圧電アクチュエータを用いて、布、紙、プラスチック、金属、ガラス及びセラミックス、シリコンやＧａＡｓ等の半導体用基板等からなる記録媒体の表面に微小な液滴を噴射して記録を行う印刷ヘッドに好適に使用できる液体噴出装置に関する。

従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（以下、発振子を含む概念である）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。

これらの中で、例えば圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度がμｓｅｃオーダー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用いられる圧電アクチュエータ等に応用されている。

例えば、インクジェット記録装置に用いられる圧電アクチュエータが搭載された印刷ヘッドは、図１（ａ）に示したように、圧電アクチュエータ１が、流路部材３の上に設けられた構造を有する（例えば、特許文献１参照）。圧電流路部材３は、複数の液体加圧室３ａが隔壁３ｂによって仕切られ、液体加圧室３ａは圧電アクチュエータ１に当接するように並設されている（例えば、特許文献１参照）。

圧電アクチュエータ１は、共通電極（不図示）を表面に形成した振動５上に圧電セラミック層４を設け、圧電セラミック層４の上に表面個別電極６を設けてなる。表面個別電極６は、図１（ｂ）に示したように、圧電セラミック層４の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部７が形成されたものである。通常は、マトリックス配置をするように表面個別電極６が形成される。この圧電アクチュエータ１は、液体加圧室３ａの直上に表面個別電極６が位置するようにして流路部材３上に配置している。

上記のような印刷ヘッドは、共通電極と所定の表面個別電極６との間に電圧を印加して該表面個別電極６直下の圧電セラミック層４を変位させることにより、変位領域７ａが対応する液体加圧室３ａの方向に凸になるように変形し、液体加圧室３ａ内のインクを加圧して、流路部材３の底面に開口した液体吐出口８より液滴を吐出することができる。

特許文献１における表面個別電極６は、圧電膜の上にマトリックス状に複数整列するように配列されており、その形状は矩形形状となっている。そして、表面個別電極を含む変位素子７はそれぞれが独立して制御されるため、インクジェットプリンタの高速化及び高精度化に寄与することが可能である。

しかし、最近のカラープリンタにはさらなる高精彩化が求められ、写真に匹敵する印刷仕上がりが求められ、インクジェットヘッドから吐出する液滴も小滴化し、高精度のインク吐出制御が要求されている。このような要求の下では、ノズル間距離を小さくするため、また液滴を小さくするために、加圧室の体積も小さくなり、その結果上部電極も小さくすることが要求されている。

この要求に対して、例えば、圧力室が平行四辺形領域に収まり且つ一旦及び多端を結ぶ線上から離れる方向に膨出する角無のない平面形状、具体的には六角形に形成され、表面個別電極も圧力室に略相似形をした圧電アクチュエータが開示されている（例えば、特許文献２参照）。或いはまた、四隅に丸みを帯びた矩形形状が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１１−３４３２１号公報特開２００３−３１１９５７号公報特開２００２−２２５２６１号公報図６

しかしながら、特許文献２、３に記載の圧電アクチュエータは、変位素子の変形領域の境界がほぼ表面個別電極の外周部であるため、大きな応力が加わり、駆動中に変形領域の境界部で電極の剥離やクラック等の破壊が生じるという問題があった。

そこで、本発明は、駆動中に変形領域の境界部で破壊が生じるのを抑制した液体吐出装置を提供することを目的とする。

本発明は、電極の境界部の長さを大きくすることにより、単位長さに加わる応力を低減し、また、表面電極の形状を波状又は鋸刃状にすることによって、電極界面に集中する応力を緩和するため、駆動中に変形領域の境界部で破壊が生じるのを抑制できるという新規な知見に基づき、その結果、圧電アクチュエータを安定して駆動させることができる。

即ち、本発明の圧電アクチュエータは、振動板と、該振動板の表面に、共通電極、圧電体層及び表面個別電極がこの順に積層され、該表面個別電極が前記圧電体層の表面に複数形成されてなる圧電アクチュエータに流路部材が接合されている、前記流路部材の液体加圧室に充填された液体を前記圧電アクチュエータによって加圧し、前記液体加圧室に連通するノズル孔から液滴を吐出させる液体吐出装置であって、前記表面個別電極の外周部の形状が、波状又は鋸刃状であるとともに、前記圧電アクチュエータを平面視したとき、前
記表面個別電極が前記液体加圧室の内側領域に配置されていることを特徴とする。これにより、駆動中に変形領域の境界部で破壊が生じるのを抑制した圧電アクチュエータ、及び長期的に信頼性の高い液体吐出装置を実現できる。

前記表面個別電極の面積Ｓを円換算した時の外周の長さＬ_０に対する前記表面個別電極の外周の長さＬの比Ｌ／Ｌ_０が１．１以上であることが好ましい。このような関係式を満たすことによって電極界面に集中する応力を効果的に緩和することができる。

前記表面個別電極の面積Ｓが１．０ｍｍ^２以下であることが好ましい。面積Ｓをこのように制御することで、圧電アクチュエータの高速化及び高精度化に対する効果を高めることができる。

前記圧電体層がマグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛の少なくとも１種であることが好ましい。これにより、より高い変位を得ることができるため、高速で使用できる液体吐出装置として好適に使用することができる。

本発明は、振動板上に複数の変位素子を具備する圧電アクチュエータに関し、特にインクジェット用の記録ヘッド等の液滴吐出装置に好適に用いられる。その一例を、図を用いて説明する。

本発明の液滴吐出装置は、図１（ａ）に示したように、支持体１の上に圧電アクチュエータ１が接合されている。支持体１には部分的に液体加圧室３が形成されている。また、振動板２の表面に、共通電極５、圧電セラミック層４をこの順に設け、さらに図１（ｂ）に示したように、圧電セラミック層４の表面に複数の表面個別電極６をマトリックス状に設けてなる。

共通電極５及び表面個別電極６は、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続され、それぞれの電極間に電圧が印加されると、電圧が印加された表面個別電極６と共通電極５に挟持された部位の圧電セラミック層４が変位するため、その変位にともなって変位領域７ａが形成される。この変位領域７ａは、表面個別電極６とその直下の領域にある振動板２、共通電極５、圧電セラミック層４を含む。したがって、変位領域７ａを形成する変位素子７ａが、振動板２の上に複数設けられて圧電アクチュエータが形成されている。

液滴吐出装置は、共通電極５と所定の表面個別電極６との間に電圧を印加して、表面個別電極６直下の圧電セラミック層４を変位させることにより、変位領域７ａが、対応する液体加圧室３ａの方向に凸になるように、即ち液体加圧室３ａの体積を小さくするように変形し、液体加圧室３ａ内のインクを加圧して、流路部材３の底面に開口した液体吐出口８より液滴を吐出することができる。

本発明によれば、表面個別電極６の外周部の形状が、波状又は鋸刃状であることが重要である。例えば、電極が矩形形状の場合には、図２（ａ）に示したように、表面個別電極６の外周を鋸刃形状にすることにより、或いはまた、図２（ｂ）に示したように、表面個別電極６の外周を波状にすることにより、電極の外周の長さを大きくすることができ、製造時や駆動時に表面個別電極６と圧電セラミック層との間に発生する応力の影響を低減することができる。

即ち、表面電極の形状を波状又は鋸刃状にすることによって、表面個別電極６の外周における単位長さあたりの応力が低減し、電極の周縁部に集中する応力を緩和することができるため、製造時や駆動中に表面個別電極６が剥離したり、変形領域の境界部で破壊が生じるのを抑制でき、その結果、圧電アクチュエータの安定駆動が可能となる。

特に、表面個別電極６の面積Ｓに等しい円（半径ｒ_０、Ｓ＝πｒ_０ ^２）の外周の長さＬ_０（Ｌ_０＝２πｒ_０）に対して、表面個別電極６の外周の長さＬの比Ｌ／Ｌ_０≧１．１、特に１．３以上、更には１．５以上であることが好ましい。このような関係式を満すように表面個別電極６の外周の長さを設定することによって電極の周縁部に集中する応力をより効果的に緩和することができる。

表面個別電極の面積Ｓは、１．０ｍｍ^２以下、特に０．７５ｍｍ^２以下、更には０．５ｍｍ^２以下であることが好ましい。面積Ｓを上記範囲に設定することで、圧電アクチュエータの高速化や高精度化に寄与することができる。

圧電セラミック層４は、ペロブスカイト型酸化物を主成分とし、Ａサイト構成元素としてＰｂを含有し、かつ、Ｂサイト構成元素としてＺｒ、Ｔｉを含有するものが良い。具体例として、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛を例示できる。これらを採用することにより、より大きな変位を得ることができ、高速で使用できる液体吐出装置として好適に使用することができる。

さらに、副成分としてＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３及びＰｂ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）Ｏ_３とを固溶してなるものが好ましい。

例えば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスなどが使用されるが、これに限定するものではなく、圧電性を有するものであれば良い。この圧電素子を構成するものとしては、圧電定数ｄ_３１が高いものが望ましい。

特に、ペロブスカイト型酸化物のＡサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有することが変位を大きくするために望ましい。アルカリ土類元素としてはＢａ、Ｓｒ、Ｃａなどが有り、特にＢａ、Ｓｒが大きな変位を得られる点で好ましい。

具体的には、Ｐｂ_{１−ｘ―ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ（Ｚｒ_１／３Ｓｂ_２／３）_ａ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）_ｂＺｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｔｉ_ｃＯ_３＋αｗｔ％Ｐｂ_１／２ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０．０５≦ａ≦０．１、０．００２≦ｂ≦０．０１、０．４４≦ｃ≦０．５０、α＝０．１〜１．０）で表される組成圧電磁器組成物が望ましい。

本発明の圧電アクチュエータ１の厚さは、小型化及び高い電界強度を印加するという点から１００μｍ以下であることが好ましい。下限値は、実用上の機械強度や耐電圧強度を有するために、特に５μｍ、更には１０μｍであることが好ましい。また、上限値は、変位を大きくするため、特に８５μｍ、更には７０μｍであることが好ましい。

また、圧電セラミック層４はボイド率が１％以下であることが好ましい。ボイド率が１％より大きいとインクジェット印刷ヘッドとして用いる際、インクの染み込みによる、インク漏れの可能性があるので、好ましくない。また、磁器強度の面でも好ましくない。

表面個別電極６、共通電極５の材質としては、導電性を有するものならば何れでも良く、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金などが用いられる。共通電極５の厚みとしては、導電性を有し且つ変位を妨げない程度である必要があり、１〜５μｍのものが好ましい。また、表面個別電極６は振動に悪影響を及ぼさないため、０．１〜１．５μｍ、特に０．２〜１．２μｍ、更には０．３〜１μｍが好ましい。

振動板２は、セラミックス等の絶縁体であれば良いが、特に圧電セラミック層４と略同一の組成物、略同一形状の圧電セラミック層４からなることが好ましい。このように、同一組成、形状である方が焼成時の収縮寸法を容易に制御できるためである。

振動板２の厚みは任意に設定できるが、適度な変位量と適度な強度を具備するように決定すれば良く、ＰＺＴの場合には、振動板２は１０〜８０μｍ、特に１５〜７０μｍ、更には２０〜５０μｍであることが好ましい。

次に、図１に示すインクジェット記録ヘッド用の圧電アクチュエータの製造方法について説明する。

先ず、原料として、ＰＺＴの仮焼合成粉を準備する。

上記原料を、ロールコーター法、スリットコーターなどの一般的なテープ成形法により、圧電セラミックスと有機組成物からなるテープの成形を行う。

得られたテープ表面に表面個別電極６、共通電極５を所望の部位に印刷法等により形成するとともに、これらの電極と外部電子回路とを電気的に連結するビア電極を形成し、しかる後に、テープを所望の構成に積層して加圧密着を行って積層体を形成する。この積層体を焼成し、圧電アクチュエータを得ることができる。

焼成温度は、用いる材料にもよるが、圧電セラミック層及び振動板としてＰＺＴを用いた場合、９００〜１５００℃、特に９２０〜１２００℃の範囲にすることが好ましい。

本発明の液体吐出装置は、上記圧電アクチュエータ１を流路部材３に接合してなり、流路部材３の液体加圧室３ａに充填された液体を圧電アクチュエータ１によって加圧し、液体加圧室３ａに連通するノズル孔から液滴を吐出させるものであり、製造中や駆動中に表面個別電極の剥離や変形領域の境界部で破壊を抑制できるため、長期信頼性の高い液体吐出装置を実現できる。

本発明によれば、液体吐出装置は、インクジェットヘッドとして用いることが好ましい。本発明の液滴吐出装置は長期信頼性に優れるため、安定した高速印刷、安定下高精度印刷を実現することが容易になる。なお、印刷にはインクジェットヘッドと、インクジェットヘッドにインクを供給するインクタンクと、印刷するための記録紙の保持部と、記録紙をインクジェットヘッドに搬送する記録紙搬送機構とを備える。

図１に示した圧電アクチュエータを作成した。

まず、原料粉末として高純度のＰｂ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＢａＣＯ_３、ＺｎＯ、ＳｒＣＯ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＴｅＯ_２の各原料粉末を、焼結体がＰｂ_{１−ｘ―ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ（Ｚｒ_１／３Ｓｂ_２／３）_ａ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）_ｂＺｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｔｉ_ｃＯ_３（ｘ＝０．０４、ｙ＝０．０２、ａ＝０．０７５、ｂ＝０．００５、ｃ＝０．４５）で表される組成となるように、所定量秤量し、さらに、この組成に対して過剰Ｐｂを添加した後、ボールミル等で２０時間湿式で混合し、次いで、この混合物を脱水、乾燥した後で、７００〜９００℃で３時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミル等で湿式粉砕する。

その後、この粉砕物に有機バインダー、水、分散剤と可塑剤とを混合し、スラリーを作製し、薄いグリーンシートを成形する為に一般的に用いられているロールコーター法により、厚み３０μｍのテープを成形した。次に、Ａｇ−Ｐｄ電極ペーストを用いて、テープ上下面に厚み５μｍの表面個別電極、共通電極をそれぞれ印刷法にて形成した。

次に、電極の形成されていないテープと駆動用の圧電素子となる表面個別電極及び共通電極を上下面に形成したテープとを積層し、加圧密着を行って積層体を得た。

最後にこの積層成形体を４００℃で脱脂した後を９９％Ｏ_２雰囲気中で温度９００℃、５時間の焼成を行い、圧電アクチュエータ振動板を得た。

この圧電アクチュエータを用いて、図１に示した液体吐出装置を形成した。なお、液体流路はステンレスで作製したものを用いた。

表面個別電極の形状を鋸刃形状とし、その面積Ｓを円換算した時の外周の比Ｌ_０に対する前記表面個別電極の外周の長さＬの比Ｌ／Ｌ_０を１．１５、１．４１、２．０とした。

得られたインクジェット記録ヘッドに４０Ｖの直流電界を印加した結果、個々の変位素子は平均１００ｎｍの変位量が得られた。さらにこの圧電アクチュエータに０〜２０Ｖの直流電界を周波数１０ＫＨｚにて印加してサイクルテストを行った結果、個々の変位素子は、１００億サイクルの変位を行った後においても変位量は９５ｎｍ以上であった。尚、変位量の測定はレーザードップラー変位計によりヘッド液体加圧室部の中心部及び周辺部７点を測定して算出した。

比較例として、Ｌ／Ｌ_０が１となる以外は上記実施例と同じものを用いて、サイクルテストを行ったが、５億サイクルで変位量が６０ｎｍに低下し、１０億サイクル駆動後絶縁破壊して駆動不可能となった。

本発明の液体吐出装置の構造を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は平面図である。本発明の圧電アクチュエータにおける表面個別電極の外周形状を示すもので、（ａ）は鋸刃状、（ｂ）は波状である。従来の液体吐出装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１・・・支持体
２・・・振動板
３・・・流路部材
３ａ・・・液体加圧室
３ｂ・・・隔壁
４・・・圧電セラミック層
５・・・共通電極
６・・・表面個別電極
７・・・圧電素子
７ａ・・・変位素子（変位領域）

Claims

振動板と、該振動板の表面に、共通電極、圧電体層及び表面個別電極がこの順に積層され、該表面個別電極が前記圧電体層の表面に複数形成されてなる圧電アクチュエータに流路部材が接合されている、前記流路部材の液体加圧室に充填された液体を前記圧電アクチュエータによって加圧し、前記液体加圧室に連通するノズル孔から液滴を吐出させる液体吐出装置であって、前記表面個別電極の外周部の形状が、波状又は鋸刃状であるとともに、前記圧電アクチュエータを平面視したとき、前記表面個別電極の外周部が、前記液体加圧室と前記振動板により形成される領域に内包されるように配置されていることを特徴とする液体吐出装置。
前記表面個別電極の面積Ｓを円換算した時の外周の長さＬ_０に対する前記表面個別電極の外周の長さＬの比Ｌ／Ｌ_０が１．１以上であることを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
前記表面個別電極の面積Ｓが１．０ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の液体吐出装置。
前記圧電体層がマグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛のうちの少なくとも１種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液体吐出装置。