JP5625228B2 - Piezoelectric head, ink discharge device, ink jet recording device - Google Patents
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本発明は、変形可能な振動板と、前記振動板の一方の面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された上部電極と、を有する複数の圧電アクチュエータを有する圧電ヘッド、この圧電ヘッドを有するインク液吐出装置、インクジェット記録装置に関する。 The present invention includes a deformable diaphragm, a lower electrode formed on one surface of the diaphragm, a piezoelectric layer formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the piezoelectric layer. The present invention relates to a piezoelectric head having a plurality of piezoelectric actuators, an ink discharge apparatus having the piezoelectric head, and an ink jet recording apparatus.
現在、マイクロマシンのアクチュエータの駆動力として、圧電体を用いた圧電アクチュエータがある。マイクロマシンに利用されるアクチュエータは、小型化が求め続けられており、圧電アクチュエータに対しても同様に小型化が要求されている。 Currently, there is a piezoelectric actuator using a piezoelectric body as a driving force of an actuator of a micromachine. Actuators used in micromachines continue to be downsized, and piezoelectric actuators are similarly required to be downsized.
従来では、圧電アクチュエータの圧電素子として、圧電材料の上下に電極を有する構成が積層された積層型圧電素子が広く用いられている。積層圧電素子では、歪み量を大きくすることが可能であるが、積層構造であるため、マイクロマシンに利用する場合には小型化という観点では好ましくない。その上積層圧電素子を用いるためには、バルクの圧電素子をカッティングする等の必要があり、高度な技術を要する。積層圧電素子に対し、薄膜PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)により構成される圧電素子は、小型化の観点で大きな優位性を有する。そこで、圧電アクチュエータの中には、薄膜PZTを用いたものがある。 Conventionally, as a piezoelectric element of a piezoelectric actuator, a stacked piezoelectric element in which a structure having electrodes on and below a piezoelectric material is stacked is widely used. The multilayer piezoelectric element can increase the amount of strain, but since it has a multilayer structure, it is not preferable from the viewpoint of miniaturization when used in a micromachine. In addition, in order to use a laminated piezoelectric element, it is necessary to cut a bulk piezoelectric element, which requires advanced technology. A piezoelectric element composed of a thin film PZT (lead zirconate titanate) has a great advantage from the viewpoint of miniaturization over a laminated piezoelectric element. Therefore, some piezoelectric actuators use thin film PZT.
図1は、薄膜PZTを用いた従来の圧電アクチュエータを説明する図である。図1(A)は、圧電アクチュエータ10の概略を説明する斜視図、図1(B)は、圧電アクチュエータ10のA−A断面図、図1(C)は、圧電アクチュエータ10の振動板11が変位した場合のA−A断面図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional piezoelectric actuator using a thin film PZT. 1A is a perspective view for explaining the outline of the
圧電アクチュエータ10は、振動板11と薄膜PZTで形成された圧電素子12とを有する。圧電素子12は、振動板11の片面に形成されている。圧電素子12と振動板11との間には電極13が形成され、圧電素子12において振動板11と接触する面と反対側の面には電極14が形成されている。電極13と電極14には、図2に示す電圧が印加される。図2は、電極13、14に印加される電圧を説明する図である。電極13には、接地電位が印加され、電極14には圧電素子12を駆動させる駆動電位Vpが印加される。
The
圧電アクチュエータ10では、圧電素子12が振動板11の中央部に形成されている。図1(C)に示すように、電極14に駆動電圧が印加されると、圧電素子12は、振動板11の一方の面(圧電素子12が形成されている方の面)を伸縮させる。圧電アクチュエータ10では、これにより、圧電素子12自体の歪みは小さいながらも、振動板11の面外方向の変位量を大きくとることができる。
In the
尚図1に示す圧電アクチュエータ10では、圧電素子12を振動板11の中央部にのみ形成することで振動板11の面外方向の変位量を大きくとることができるが、例えば圧電素子12を振動板11の一方の全面に設けた場合、面外方向の変位量は抑制される。これは、振動板11の片面全てが圧電素子12の伸縮と合わせて伸びる領域又は縮む領域となり、撓みが生じなくなるためである。
In the
圧電アクチュエータ10の集積度が増してくると、振動板11の幅が狭くなるため、振動板11に撓みが生じにくくなる。
When the degree of integration of the
この状態で面外方向の変位量を大きくするためには、圧電素子12に印加する駆動電圧を大きくすれば良い。
In order to increase the amount of displacement in the out-of-plane direction in this state, the drive voltage applied to the
しかしながら、圧電素子12に印加する駆動電圧を大きくすると、イオンマイグレーションによる圧電素子12のダメージが発生し易くなる。イオンマイグレーションは主に空気中の湿気により電気化学反応が起こって、電極金属がイオン化して溶け出すことにより発生する。イオンマイグレーションは温度100℃以下、電流密度1mA/cm2以下、湿度が高いほど発生頻度が高くなる。イオンマイグレーションによる破壊時間は電界強度が高いほど短くなるため、高電圧を印加する電子部品は空気中の湿気の影響を除く処置を施さなければ故障頻度が高まる。さらに空気中に存在するNox、NH3、Clが水滴に吸着することにより、イオンマイグレーションが促進されてしまう。したがって電子部品を外気にさらしたままにしておいた場合、容易に酸化、塩化、硫化が発生し、マイグレーションの発生原因となり得る。このため高い駆動電圧が印加される圧電アクチュエータ10は、イオンマイグレーションが生じ易いと言える。
However, when the drive voltage applied to the
そこで、近年の圧電アクチュエータでは、集積度を高めることができ、且つ駆動電圧を大きくせずに面外方向の変位量を大きくする工夫がなされている。 Thus, in recent piezoelectric actuators, the degree of integration can be increased, and a device has been devised to increase the amount of displacement in the out-of-plane direction without increasing the drive voltage.
例えば特許文献1には、振動板の短辺方向において圧電素子を分割し、振動板の面内方向の圧電素子の伸縮を、面外方向の圧電素子の伸縮と逆にして、変位量を大きくする技術が開示されている。またと特許文献2には、各アクチュエータ内で分割された圧電素子の個別電極を各アクチュエータ間で結合させて共通電極とする構成が開示されている。
しかしながら、特許文献1記載の発明は、各アクチュエータに共通電極以外に実質2つの個別電極が必要となり、駆動ドライバ等の増加により大幅なコストアップが予想される。また特許文献2記載の発明では、変位量を大きくするために、タイミングの異なる2つのパルスを必要とするため、高速駆動に不向きである。
However, the invention described in Patent Document 1 requires substantially two individual electrodes in addition to the common electrode for each actuator, and a significant increase in cost is expected due to an increase in drive drivers and the like. The invention described in
本発明は、上記事情を鑑みて、これを解決すべくなされたものであり、低コストで変位量を大きくすることができ、高速駆動に対応することができ、さらに小型化に貢献することが可能な圧電ヘッド、インク液吐出装置、インクジェット記録装置を提供することを目的とするものである。 In view of the above circumstances, the present invention has been made to solve this problem, can increase the amount of displacement at low cost, can cope with high-speed driving, and contributes to further downsizing. An object of the present invention is to provide a piezoelectric head, an ink discharge device, and an ink jet recording apparatus that can be used.
本発明は、上記目的を達成するために、以下の如き構成を採用した。 The present invention employs the following configuration in order to achieve the above object.
本発明は、変形可能な略長方形状の振動板と、前記振動板の一方の面に形成された下部電極と、前記下部電極において前記振動板と接する面と反対側の面に形成された圧電体層と、前記圧電体層において前記下部電極と接する面と反対側の面に、前記振動板の短辺方向の断面において3つに分割されて形成された上部電極と、を有する圧電アクチュエータを複数有する圧電ヘッドであって、前記複数の圧電アクチュエータの前記下部電極には、第一の共通電位が印加され、前記複数の圧電アクチュエータの前記3つに分割されて形成された上部電極のうち、前記真ん中に位置する上部電極以外の上部電極には、前記複数の圧電アクチュエータに共通する共通ドライバから供給される第二の共通電位が印加され、前記複数の圧電アクチュエータの前記3つに分割されて形成された上部電極のうち、真ん中に位置する上部電極には、前記複数の圧電アクチュエータと対応した駆動ドライバから供給される振動板の変形を制御するための制御電位として、前記振動板を変位させる場合には、前記第二の共通電位の印加と同期して印加される前記第二の共通電位の極性と逆極性の電位を印加し、前記振動板の変位を抑える場合には、前記第二の共通電位の印加と同期して印加される前記第二の共通電位の極性と同極性の電位を印加する構成とした。 The present invention includes a deformable substantially rectangular diaphragm, a lower electrode formed on one surface of the diaphragm, and a piezoelectric formed on a surface of the lower electrode opposite to the surface in contact with the diaphragm. A piezoelectric actuator comprising: a body layer; and an upper electrode formed on the surface of the piezoelectric layer opposite to the surface in contact with the lower electrode and divided into three in a cross section in the short side direction of the diaphragm. a plurality having piezoelectric heads, to the lower electrode of said plurality of piezoelectric actuators, among the first common potential is applied, prior Symbol plurality of the three is split formed in the upper electrode of the piezoelectric actuator , the upper electrode other than the upper electrode positioned in the middle, a second common potential supplied from the common driver common to the plurality of piezoelectric actuators are applied, said plurality of piezoelectric actuators Of the upper electrodes divided into three, the upper electrode located in the middle has a control potential for controlling the deformation of the diaphragm supplied from the drive driver corresponding to the plurality of piezoelectric actuators. When the diaphragm is displaced, a potential having a polarity opposite to the polarity of the second common potential applied in synchronization with the application of the second common potential is applied to suppress the displacement of the diaphragm. In this case, a potential having the same polarity as that of the second common potential applied in synchronization with the application of the second common potential is applied .
また本発明の圧電ヘッドにおいて、前記第一の共通電位を基準電位としたとき、前記第二の共通電位と、前記制御電位とは、前記第一の共通電位と異なる電位であり、前記第二の共通電位と、前記制御電位とは、同期して印加される構成とした。 In the piezoelectric head of the present invention, when the first common potential is a reference potential, the second common potential and the control potential are different from the first common potential, The common potential and the control potential are applied synchronously.
また本発明の圧電ヘッドにおいて、前記制御電位の大きさと前記第二の共通電位の大きさは、略同じ大きさである構成とした。 In the piezoelectric head of the present invention, the magnitude of the control potential and the magnitude of the second common potential are substantially the same.
本発明の圧電ヘッドにおいて、前記上部電極は、前記振動板の変曲点を挟んで前記圧電体層上に形成される構成とした。 In the piezoelectric head of the present invention, the upper electrode is formed on the piezoelectric layer with the inflection point of the diaphragm interposed therebetween.
本発明は、インクが蓄えられるインク液室と、前記インク液室から前記インクを吐出するためのノズル孔と、前記インク液室の一部を成す変形可能な振動板と、前記振動板を変形させる圧電ヘッドと、を有し、前記振動板の変形により前記インク液室から前記インクを吐出するインク液吐出装置であって、前記圧電ヘッドは、上記圧電ヘッドの何れか一つである構成とした。 The present invention provides an ink liquid chamber in which ink is stored, a nozzle hole for ejecting the ink from the ink liquid chamber, a deformable diaphragm that forms part of the ink liquid chamber, and a deformed diaphragm. A piezoelectric head for discharging the ink from the ink liquid chamber by deformation of the vibration plate, wherein the piezoelectric head is any one of the piezoelectric heads. did.
本発明は、インクを吐出するインク液吐出装置を有し、前記インク液吐出装置からインク吐出させて記録媒体に前記インクを付着させるインクジェット記録装置であって、前記インク液吐出装置は、上記インク液吐出装置である構成とした。 The present invention is an ink jet recording apparatus that includes an ink liquid ejecting apparatus that ejects ink, and causes the ink to eject from the ink liquid ejecting apparatus and attach the ink to a recording medium. It was set as the structure which is a liquid discharge apparatus.
本発明によれば、低コストで変位量を大きくすることができ、高速駆動に対応することができ、さらに小型化に貢献することができる。 According to the present invention, the amount of displacement can be increased at low cost, high-speed driving can be supported, and contribution to downsizing can be achieved.
本発明では、圧電ヘッドを構成する圧電アクチュエータの振動板の片面に形成された圧電素子上に3つに分割されて形成された上部電極のうち、真ん中の上部電極を個別電極とし、両脇の電極を、圧電ヘッドを構成する全ての圧電アクチュエータに共通して使用される共通電極とする。共通電極には共通電位を印加し、個別電極には共通電位とは独立して制御される共通電位と同じ大きさの個別電位を印加する。 In the present invention, among the upper electrodes formed by being divided into three on the piezoelectric element formed on one side of the diaphragm of the piezoelectric actuator constituting the piezoelectric head, the middle upper electrode is used as an individual electrode, The electrode is a common electrode used in common for all piezoelectric actuators constituting the piezoelectric head. A common potential is applied to the common electrode, and an individual potential having the same magnitude as the common potential controlled independently of the common potential is applied to the individual electrode.
以下に本実施形態の圧電ヘッドの説明に先立ち、図3を参照して上部電極を分割して形成する際の上部電極の分割について説明する。図3は、上部電極の分割について説明する図である。図3(A)は、振動板11Aの撓みを説明する図であり、図3(B)は、上部電極14Aの形成位置を説明する第一の図であり、図3(C)は、上部電極14Aの形成位置を説明する第二の図である。
Prior to the description of the piezoelectric head of the present embodiment, the division of the upper electrode when the upper electrode is divided and formed will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating the division of the upper electrode. 3A is a diagram for explaining the bending of the
図3(A)では、圧電アクチュエータ10Aにおいて、隔壁15に支持された振動板11Aが一次振動モードで振動した場合の振動板短辺方向の断面図を示している。尚振動板11Aの形状は、図1(A)と同様の略長方形状であり、振動板短辺方向の断面とは、図1(A)のA−A断面と同様である。振動板11Aが一次振動モードで振動した場合、図3(A)に示す形状となる。振動板11Aの形状は、加えられる荷重の分布、振動板11Aの厚み分布等に依存する。
FIG. 3A shows a cross-sectional view in the short-side direction of the diaphragm when the
振動板11Aにおいて、領域A1〜A5における撓みについて考える。振動板11Aでは、領域A2、領域A4の撓みと比較して、特に領域A1、領域A3、領域A5の撓みが大きくなる。その部分(領域A1、領域A3、領域A5)に振動板11Aを撓める力を積極的に加えることにより、振動板11A全体の撓み(変位)を大きくすることができる。また、撓みが大きいということはその部分の曲率半径が小さいということを意味する。本発明では、振動板11Aの曲率半径が極小値をとなる領域に振動板11Aを撓めるための圧電素子が形成されることが好ましい。尚領域A2、領域A4は、曲率半径が最も大きい部分であり、変曲点を含んでいる。
Let us consider the bending in the regions A1 to A5 in the
図3(B)に示すように、圧電素子12A、12B、下部電極13A、13B、上部電極14A、14Bは、変曲点を含む領域A2、領域A4を挟んだ両側で、圧電素子12Aと圧電素子12Bの伸縮が逆になるようにしている。このため、図1に示すように圧電素子を分割しない場合と比べて振動板11Aの変位量を大きくすることができる。尚圧電素子12A、下部電極13A、上部電極14Aは、図3(C)に示すように、隔壁15と重ならないように形成されても良い。
As shown in FIG. 3B, the
図4は、図3に示す圧電アクチュエータ10Aの駆動方法を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of driving the
振動板11Aに形成された下部電極13A、13Bは共通の電圧が印加される共通電極(以下、共通電極COM)であり、0Vが印加される。上部電極14Aには、圧電素子12Aの駆動電圧SEG1が印加され、上部電極14Bには圧電素子12Bの駆動電圧SEG2が印加される。
The
圧電アクチュエータ10Aでは、駆動電圧SEG1と駆動電圧SEG2とを逆極性にすることにより、振動板11Aを変位させることができる。例えば図4に示すように、圧電素子12Aと圧電素子12Bに電圧を印加する際に、タイミングT1に示すように、駆動電圧SEG1と駆動電圧SEG2の極性を逆にして印加する。尚駆動電圧SEG1と駆動電圧SEG2の電位は、同電位であることが好ましい。
In the
このようにして振動板11Aに変位を持たせる場合には、図2に示す駆動電圧Vpの1/2の電圧で従来の図1に示す振動板11の変位量と同程度の変位量を得ることができる。
When the
また、振動板11Aを変位させたくない場合には、タイミングT2のように駆動電圧SEG1と駆動電圧SEG2とを0Vとする。どちらか一方に駆動電圧を印加した場合、変位量δ1の半分程度の変位が生じ、ほとんどの用途において好ましくないと考えられるからである。
When it is not desired to displace the
図3、図4で説明した構成では、上部電極14A、14Bそれぞれに逆極性の駆動電圧SEG1、SEG2を印加する必要があるため、上部電極14A、14Bそれぞれに独立した駆動ドライバが必要となる。
In the configuration described with reference to FIGS. 3 and 4, since it is necessary to apply drive voltages SEG1 and SEG2 having opposite polarities to the
以下に説明する本発明では、振動板に上部電極を分割して形成した場合にも、独立した駆動ドライバを必要とせず、さらに小さい駆動電圧で変位量δ1と同程度の変位を得ることができる。このため本発明によれば、低コストで且つ高速駆動にも対応可能であり、寿命が長く、小型化に貢献することが可能となる。 In the present invention described below, even when the upper electrode is divided and formed on the diaphragm, an independent drive driver is not required, and a displacement equivalent to the displacement amount δ1 can be obtained with a smaller drive voltage. . For this reason, according to the present invention, it is possible to cope with high-speed driving at low cost, and it is possible to contribute to miniaturization with a long life.
(第一の実施形態)
以下に図面を参照して本発明の第一の実施形態について説明する。図5は、第一の実施形態の圧電ヘッド100の概略を説明する図である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 5 is a diagram for explaining the outline of the
圧電ヘッド100は、例えばインクジェット方式の印刷装置等に用いられる。圧電ヘッド100は、隔壁123に支持された振動板110、インク液室121等が形成されるセラミック層120、インクが吐出されるノズル孔131が形成されるステンレス層130を有する。
The
振動板110において、セラミック層120が形成される面と反対側の面には、後述する下部電極111、圧電素子112、上部電極113が前述の順に振動板110上に積層されており、圧電アクチュエータ140を構成している。
In the
圧電アクチュエータ140は、圧電ヘッド100に設けられたインク液室121毎に圧電アクチュエータ140a、圧電アクチュエータ140bというように設けられて圧電ヘッド100を構成している。
The
図6は、第一の実施形態の圧電ヘッド100のA−A断面図である。
FIG. 6 is an AA cross-sectional view of the
図6に示す圧電アクチュエータ140a、140b、140cの構成は同様であるため、代表例として圧電アクチュエータ140aの構成について説明する。
Since the
圧電アクチュエータ140aでは、振動板110において、インク液室121が形成される面と反対側の面に下部電極111が形成されている。そして下部電極111において、振動板110と接する面と反対側の面に圧電素子112が形成されている。尚本実施形態では、振動板110は圧電アクチュエータ140a、140b、140cにおいて共通に利用される。また下部電極111及び圧電素子112も振動板110と同様に、圧電アクチュエータ140a、140b、140cにおいて共通に利用される。したがって下部電極111及び圧電素子112は、振動板110上に振動板110と同様の面積となるように形成されることが好ましい。
In the
圧電アクチュエータ140aでは、圧電素子112において下部電極111と接する面と反対側の面に上部電極113が形成されている。上部電極113は、上部電極113a、上部電極113b、上部電極113cの3つに分割されて形成されている。尚上部電極113a、上部電極113b、上部電極113cは、図3で説明したように、変曲点を含む領域Hを挟んで形成されている。何領域Hは狭い方が好ましい。また本実施形態の上部電極113a、上部電極113cは、隔壁123と重なるように形成されている。
In the
本実施形態では、下部電極112を第一の共通電極C1とする。共通電極C1は、圧電アクチュエータ140を構成する各圧電アクチュエータ140a、140b、140cにおいて共通して使用される電極であり、グランドに接続されて第一の共通電位COM1が印加される。
In the present embodiment, the
本実施形態の3つに分割された上部電極113のうち、真ん中に位置する上部電極113bを、個別電極Sとする。個別電極Sは、圧電アクチュエータ140a、140b、140cにおいてそれぞれが電気的に独立している。上部電極113bには、圧電素子112の駆動を制御する制御電位である個別電位SEGが印加される。
Of the
本実施形態の3つに分割された上部電極113のうち、領域Hを挟んで上部電極113bの両側に配置された上部電極113a、上部電極113cを第二の共通電極C2とする。共通電極C2は、圧電アクチュエータ140を構成する各圧電アクチュエータ140a、140b、140cにおいて共通して使用される電極であり、第二の共通電位COM2が印加される。
Of the
このように、本実施形態では、3つに分割された上部電極113のうち、上部電極113a、113cを、圧電アクチュエータ140を構成する複数の圧電アクチュエータにおける共通電極C2として利用する。本実施形態では、この構成により、各圧電アクチュエータ毎に必要となる駆動ドライバを個別電極S用の駆動ドライバのみとすることができる。
Thus, in the present embodiment, among the
以下に、図7を参照して本実施形態の圧電アクチュエータ140の駆動方法について説明する。図7は、圧電アクチュエータ140の駆動方法を説明する図である。
Hereinafter, a driving method of the
本実施形態では、共通電極C1はグランドと接続されている。よって共通電極C1に印加される共通電位COM1は0Vである。 In the present embodiment, the common electrode C1 is connected to the ground. Therefore, the common potential COM1 applied to the common electrode C1 is 0V.
共通電極C2には、所定間隔で供給されるパルス信号である共通電圧COM2が印加されている。本実施形態では、個別電極Sに印加される個別電圧SEGを、共通電圧COM2と同期して印加させることにより、振動板110を変位させる。
A common voltage COM2, which is a pulse signal supplied at a predetermined interval, is applied to the common electrode C2. In the present embodiment, the
例えば振動板110を変位させる場合には、個別電圧SEGを共通電圧COM2とは逆極性の電圧とすれば良い。また振動板110を変位させない場合には、個別電圧SEGを共通電圧COM2と同極性の電圧とすれば良い。
For example, when the
例えば図7に示すタイミングTaでは、共通電極C2に印加される共通電圧COM2は電圧値Vpaである。またタイミングTaにおいて、個別電極Sに印加される個別電圧SEGの電圧値は、電圧値Vpaと同極性の電圧値Vpbである。したがってタイミングTaでは、振動板110は変位しないことがわかる。
For example, at the timing Ta shown in FIG. 7, the common voltage COM2 applied to the common electrode C2 is the voltage value Vpa. At the timing Ta, the voltage value of the individual voltage SEG applied to the individual electrode S is the voltage value Vpb having the same polarity as the voltage value Vpa. Therefore, it can be seen that the
またタイミングTbでは、個別電極Sに印加される個別電圧SEGの電圧値は、電圧値Vpaと逆極性の電圧値−Vpbである。したがってタイミングTbでは、振動板110は変位することがわかる。
At the timing Tb, the voltage value of the individual voltage SEG applied to the individual electrode S is a voltage value −Vpb having a polarity opposite to the voltage value Vpa. Therefore, it can be seen that the
尚本実施形態では、共通電圧COM2の電圧値Vpaと個別電圧SEGの電圧値Vpbとは同程度であることが好ましい。 In the present embodiment, the voltage value Vpa of the common voltage COM2 and the voltage value Vpb of the individual voltage SEG are preferably approximately the same.
以上に説明したように、本実施形態の圧電アクチュエータ140aでは、共通電極COM1及び共通電極COM2には、圧電アクチュエータ140を構成する他の圧電アクチュエータ140b、140cと共通の電圧信号が印加される。そして個別電極Sには、圧電アクチュエータ140aの駆動を制御する個別電圧SEGが印加される。すなわち本実施形態の圧電アクチュエータ140aの駆動は、個別電圧SEGのみで制御される構成である。
As described above, in the
上記構成は、圧電ヘッド100を構成する各圧電アクチュエータ140b、圧電アクチュエータ140cにおいても同様である。尚本実施形態では、圧電アクチュエータ140は、3つの圧電アクチュエータ140a、140b、140cで構成されるものとして説明したが、これに限定されない。圧電アクチュエータ140は、任意の数の圧電アクチュエータで構成することができる。
The above configuration is the same for each
このように本実施形態では、複数の圧電アクチュエータ140により構成される圧電ヘッド100において、圧電アクチュエータ140の有する上部電極113のうち、別の圧電アクチュエータと隣接する上部電極113a、113cを共通電極C2として使用する。
As described above, in this embodiment, in the
したがって本実施形態の圧電ヘッド100の駆動に際し、共通電極C2に共通電圧COM2を印加する1つの共通ドライバと、圧電ヘッド100を構成する各圧電アクチュエータの個別電極Sに個別電圧SEGを印加するための各圧電アクチュエータと同数の駆動ドライバと、を有する構成であれば良い。
Therefore, when driving the
このため本実施形態では、3つに分割された上部電極それぞれに独立した駆動ドライバを設ける必要がなく、駆動ドライバの数を低減させ、コストを削減することができる。また本実施形態では、共通電極C2に印加される共通電圧COM2と同期して個別電極Sに印加される個別電圧SEGとを同期させて駆動を制御するため、共通電極COM2と個別電極SEGとのそれぞれを独立して制御する必要がなく、高速駆動に対応することができる。 For this reason, in this embodiment, it is not necessary to provide an independent drive driver for each of the upper electrodes divided into three, and the number of drive drivers can be reduced and the cost can be reduced. In the present embodiment, the drive is controlled in synchronization with the individual voltage SEG applied to the individual electrode S in synchronization with the common voltage COM2 applied to the common electrode C2, so that the common electrode COM2 and the individual electrode SEG It is not necessary to control each independently, and it is possible to cope with high-speed driving.
また本実施形態では、共通電圧COM2と逆極性の個別電圧SEGにより圧電素子112の駆動を制御する。このため本実施形態では、圧電素子112の駆動電圧値を低い値としても、振動板110を大きく変位させることができる。よって本実施形態では、圧電素子112の劣化を抑制することができ、長期間にわたる圧電素子112の使用を可能にする。
In the present embodiment, the driving of the
次に、図8を参照して、本実施形態の圧電アクチュエータ140の駆動シミュレーションした結果について説明する。図8では、本実施形態の圧電アクチュエータ140の駆動シミュレーションとして、シミュレーション用の圧電アクチュエータ150によるシミュレーションを行った。図8(A)は、圧電アクチュエータ150を示す図であり、図8(B)は、シミュレーション時の駆動電圧を示す図であり、図8(C)はシミュレーション結果を示す図である。
Next, with reference to FIG. 8, the result of driving simulation of the
圧電アクチュエータ150は、隔壁123Aに保持された振動板110A上の3つに分割された下部電極151a、151b、151cが形成されている。下部電極151a、151b、151c上には、圧電素子152a、152b、152cが形成されており、その上にはさらに、上部電極153a、153b、153cが形成されている。尚下部電極151a、圧電素子152a、上部電極153aと、下部電極151c、圧電素子152c、上部電極153cは、隔壁123Aと重ならないように形成されている。
The
圧電アクチュエータ150では、上部電極153a、153cは圧電素子152a、152cにより振動板110Aを収縮させ、上部電極153bは圧電素子152bにより振動板110Aを伸長させる構成とした。
In the
材料定数として、振動板110A、圧電素子152a、152b、152c共に、ヤング率=210Gpa,ポアソン比=0.29とし、厚みも共に同じ0.5μmとした。また、振動板110Aの短辺方向長さを60μmとし、圧電素子152a、152cの幅Ld1=15μm、圧電素子152bの幅をLd2=30μmとし、分割された圧電素子152a、152b、152c間で切れ間の無い構成で計算した。一方、圧電素子152a、152b、152cの伸縮量として、無負荷の場合に、振動板短辺方向に伸びる長さを、元の長さLd1、Ld2に対する比FL1、FL2で表す。このモデルでは図8(B)に示すように、下部電極151a、151b、151cに共通電圧COM3(0V)、上部電極153a、153cに共通電圧COM4、上部電極152bに駆動電圧SEG3を印加することを想定している。尚共通電圧COM4の電圧値Vp3と、駆動電圧SEG3の電圧値Vp4は、ほぼ同じ大きさとした。
As material constants, the
この条件のもとで、シミュレートした結果を図8(C)に示す。case0は比較のための計算結果であり、図8(B)のタイミングTcの駆動波形を印加した場合を想定したものである。case1は、図8(B)のタイミングTdの駆動波形を印加した場合を想定した計算結果であり、case2は図8(B)のタイミングTeの駆動波形を印加した場合を想定した計算結果である。
FIG. 8C shows the simulation result under these conditions.
case0の変位量に対して、case1では変位量の大きさが4倍に、case2では1/9倍になっており、case1の変位量はcase2の変位量の18倍である。つまり、圧電素子152a、152c及び圧電素子152bの伸縮方向を逆にすると、振動板110Aの変位量が大きくなるが、伸縮方向を同じにすると振動板110Aの変位量は大きく低下することが分かる。
The displacement amount in case 1 is four times that in
本実施形態の圧電アクチュエータ140でも、圧電アクチュエータ150と同様に、図7に示すタイミングTbのときの振動板110の変位量は、タイミングTaのときの変位量の約18倍程度となる。
Also in the
本実施形態の圧電アクチュエータ140のように、変位量が小さいときと大きいときとの差が18倍もある場合、変位量の変化をON/OFFとして使用することができる。すなわち、本実施形態の圧電アクチュエータ140は、ON/OFFの切換を行うスイッチ等としても使用することができる。
As in the
次に、図9を参照して本実施形態の圧電アクチュエータ140の製造方法について説明する。図9は、圧電アクチュエータ140の製造方法を説明する図である。
Next, a manufacturing method of the
先ず、Si基板30(図9(A))の一面に高濃度ボロンを時間制御で注入し、2μm程度の高濃度ボロン層31を形成する(図9(B))。次に、高濃度ボロン層とは逆の面に、SiO2膜をCVD(Chemical Vapor Deposition)で形成し、その後各圧電アクチュエータ140のインク液室121となる部分のSiO2膜を除去する。次に、KOHを用いて、インク液室121となる部分のSiを高濃度ボロン層に到達するまでエッチングし、振動板110を形成する(図9(C))。次に、高濃度ボロン層の上面にSiO2膜32を形成する(図9(D))。その後は、図9(E)に示すように、圧電素子112の下部電極111、圧電素子112、上部電極113を順次積層して、圧電アクチュエータ140とする。尚本実施形態の図9の例では、下部電極111と圧電素子112はベタ膜としたが、上部電極はパターンを形成して各圧電アクチュエータに電気的に独立した圧電素子112を形成している。
First, high-concentration boron is implanted into one surface of the Si substrate 30 (FIG. 9A) by time control to form a high-
このように本実施形態の圧電アクチュエータ140は、薄膜により圧電素子を形成することができるため、圧電ヘッド100の小型化に貢献することができる。
As described above, the
尚本実施形態の圧電アクチュエータ140は、下部電極111と圧電素子112とがベタ膜で形成されたものとしたが、これに限定されない。図10から図12に圧電アクチュエータ140の変形例を示す。
In the
図10は、圧電アクチュエータ140の第一の変形例を示す図である。圧電アクチュエータ140は、例えば図10に示す圧電アクチュエータ140Aのように、下部電極111のみがベタ膜で形成され、圧電素子112aは、上部電極113と同様に3つに分割されていても良い。
FIG. 10 is a diagram illustrating a first modification of the
図11は、圧電アクチュエータ140の第二の変形例を示す図である。圧電アクチュエータ140は、図11に示す圧電アクチュエータ140Bのように、下部電極111a、圧電素子112a、上部電極113がすべて3つに分割されて形成されていても良い。
FIG. 11 is a diagram illustrating a second modification of the
図12は、圧電アクチュエータ140の第三の変形例を示す図である。圧電アクチュエータ140は、図12に示す圧電アクチュエータ140Cのように、下部電極111b、圧電素子112b、上部電極113Aがすべて3つに分割されて形成されており、さらに隔壁123と重ならない部分が存在するように形成されていても良い。
FIG. 12 is a view showing a third modification of the
次に、図13を参照して本実施形態の圧電ヘッド100をインク液吐出装置200に適用した場合の動作について説明する。図13は、圧電ヘッド100をインク液吐出装置200に適用した場合を説明する図である。
Next, an operation when the
インク液吐出装置200では、圧電アクチュエータ140の隔壁123と振動板110に囲われたインク液室121にインク液が蓄えられている。インク液室121では、振動板110が形成された側と反対側に、インクが吐出されるノズル孔131が形成されている。
In the ink
インク液吐出装置200では、下部電極111、上部電極113により圧電素子112に電圧が印加され、振動板110が撓むと、インク液室121の容積が変化する。インク液室121では、容積の変化による圧力で内部のインクがノズル孔131から液滴30として吐出される。吐出された液滴30が記録媒体40上に付着することにより、記録媒体40上に画像等を形成することができる。
In the ink
インク液吐出装置200では、圧電ヘッド100を適用しているため、従来と比較して低い駆動電圧で、振動板110の変位を大きく変位させることができる。このためインク液室121に対する圧力も大きくなる。したがってインク液吐出装置200は、低駆動電圧でインクを吐出することができる。
Since the ink
(第二の実施形態)
以下に図面を参照して本発明の第二の実施形態について説明する。本発明の第二の実施形態では、インク液吐出装置200を適用したインクジェット記録装置について説明する以下の第二の実施形態の説明において、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには、第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。
(Second embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the second embodiment of the present invention, in the following description of the second embodiment for explaining an ink jet recording apparatus to which the ink
図14は、第二の実施形態のインクジェット記録装置300を説明する斜視図であり、図15は、第二の実施形態のインクジェット記録装置300の機構部の側面図である。
FIG. 14 is a perspective view illustrating the ink
インクジェット記録装置300は、インクジェット記録装置300の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ360、キャリッジに搭載したカートリッジ305からなる記録ヘッド307、記録ヘッド307を駆動、制御する駆動装置、記録ヘッド307を有する印字機構部310等が収納されている。記録ヘッド307において、カートリッジ305の下方には、キャリッジ360に保持されたインク液吐出装置200が配置されている。
The ink
またインクジェット記録装置300の下方部には、前方側から多数枚の記録媒体(用紙)40を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい)320を抜き差し自在に装着することができる。
In addition, a paper feed cassette (or a paper feed tray) 320 on which a large number of recording media (paper sheets) 40 can be loaded from the front side can be detachably attached to the lower part of the ink
またインクジェット記録装置300は、用紙40を手差しで給紙するための手差しトレイ330を開倒することができる。インクジェット記録装置300は、給紙カセット320或いは手差しトレイ330から給送される用紙40を取り込み、印字機構部320によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ350に排紙する。
Further, the ink
またインクジェット記録装置300は、記録時には、キャリッジ360を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド307を駆動することにより、停止している用紙40にインクを吐出して1行分を記録し、用紙40を所定量搬送後次の行の記録を行う。インクジェット記録装置300は、記録終了信号又は用紙40の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙40を排紙する。
Further, during recording, the
以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。 As mentioned above, although this invention has been demonstrated based on each embodiment, this invention is not limited to the requirements shown in the said embodiment. With respect to these points, the gist of the present invention can be changed without departing from the scope of the present invention, and can be appropriately determined according to the application form.
100 圧電ヘッド
110 振動板
111 下部電極
112 圧電素子
113、113a、113b、113c 上部電極
121 インク液室
123 隔壁
131 ノズル孔
140、140a、140b、140c 圧電アクチュエータ
200 インク液吐出装置
300 インクジェット記録装置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記複数の圧電アクチュエータの前記下部電極には、第一の共通電位が印加され、
前記複数の圧電アクチュエータの前記3つに分割されて形成された上部電極のうち、真ん中に位置する上部電極以外の上部電極には、前記複数の圧電アクチュエータに共通する共通ドライバから供給される第二の共通電位が印加され、
前記複数の圧電アクチュエータの前記3つに分割されて形成された上部電極のうち、前記真ん中に位置する上部電極には、前記複数の圧電アクチュエータと対応した駆動ドライバから供給される振動板の変形を制御するための制御電位として、
前記振動板を変位させる場合には、前記第二の共通電位の印加と同期して印加される前記第二の共通電位の極性と逆極性の電位を印加し、
前記振動板の変位を抑える場合には、前記第二の共通電位の印加と同期して印加される前記第二の共通電位の極性と同極性の電位を印加することを特徴とする圧電ヘッド。 A deformable substantially rectangular diaphragm, a lower electrode formed on one surface of the diaphragm, and a piezoelectric layer formed on a surface of the lower electrode opposite to the surface in contact with the diaphragm; A piezoelectric head having a plurality of piezoelectric actuators having an upper electrode divided into three in a cross section in the short side direction of the diaphragm on a surface opposite to a surface in contact with the lower electrode in the piezoelectric layer Because
A first common potential is applied to the lower electrodes of the plurality of piezoelectric actuators,
Among previous SL plurality of the three is split formed in the upper electrode of the piezoelectric actuator, the upper electrode other than the upper electrode located within N true, is supplied from the common driver common to the plurality of piezoelectric actuators A second common potential is applied ,
Of the upper electrodes divided into three of the plurality of piezoelectric actuators, the upper electrode located in the middle is deformed by a diaphragm supplied from a drive driver corresponding to the plurality of piezoelectric actuators. As a control potential for controlling,
When displacing the diaphragm, a potential having a polarity opposite to the polarity of the second common potential applied in synchronization with the application of the second common potential is applied,
When suppressing the displacement of the diaphragm, a piezoelectric head having a polarity that is the same as the polarity of the second common potential applied in synchronization with the application of the second common potential .
前記圧電ヘッドは、請求項1ないし3の何れか一項に記載の圧電ヘッドであるインク液吐出装置。 An ink liquid chamber in which ink is stored; a nozzle hole for discharging the ink from the ink liquid chamber; a deformable diaphragm that forms part of the ink liquid chamber; and a piezoelectric head that deforms the diaphragm. An ink liquid ejecting apparatus for ejecting the ink from the ink liquid chamber by deformation of the diaphragm,
The piezoelectric head, the ink ejection device is a piezoelectric head according to any one of claims 1 to 3.
前記インク液吐出装置は、請求項4記載のインク液吐出装置であるインクジェット記録装置。 An ink jet recording apparatus having an ink liquid ejecting apparatus for ejecting ink, and ejecting ink from the ink liquid ejecting apparatus to attach the ink to a recording medium,
5. The ink jet recording apparatus according to claim 4 , wherein the ink liquid ejecting apparatus is an ink liquid ejecting apparatus.
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