JP2002291262A

JP2002291262A - 圧電式アクチュエータ及びこれを用いた液体吐出ヘッド

Info

Publication number: JP2002291262A
Application number: JP2001091157A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sadamura; 茂定村; Hiromi Kikuchi; 広実菊池; Toru Abe; 徹阿部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電歪定数を向上させた小型で高性能な圧電
式アクチュエータ及びそれを用いた小型で高い階調度を
維持したまま高速印字が可能な液体吐出ヘッドを提供す
る。【解決手段】薄い矩形状の圧電膜２２の両面に電極を
設けてなる圧電式アクチュエータにおいて、前記圧電膜
の長さＬと幅Ｗとの比Ｌ／Ｗが２０〜２００の範囲内と
なるように設定する。これにより、圧電歪定数を向上さ
せて、液体吐出ヘッドは小型で高い階調度を維持したま
ま高速印字が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電式アクチュエ
ータ及びこれを用いた医療用マイクロポンプ、インクジ
ェットプリンタ等の液体吐出ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、微細な液体を間欠的に噴射する液
体吐出ヘッドとしては、医療分野で投薬などに用いられ
るマイクロポンプあるいは身近なところではプリンタが
ある。以下、インクジェットプリンタ用の吐出ヘッドを
例に説明する。最近にあっては、カラー印刷を低価格で
且つ容易に実現できる手段として、インクジェットプリ
ンタが急速に普及している。この種のインクジェットプ
リンタとしては、インクを射出する方法によってバブル
式と圧電式の２種類のものがある。バブル式のインクジ
ェットプリンタは、インクが導入される加圧室内に加熱
ヒータを設け、このヒータに信号電流を流すことによっ
てインクが突沸して気泡が発生し、この時の圧力によっ
て噴射口からインクを噴射するようになっている。そし
て、このような機構の加圧室を多数個連設して記録ヘッ
ドを構成している。

【０００３】これに対して、圧電式のインクジェットプ
リンタは、圧電作用により駆動する圧電式アクチュエー
タを用いており、例えば特開平７−３１４６７２号公
報、特開平１１−１９８３６４号公報、特開２０００−
１７７１２８号公報、特許第３１２０２６号等に開示さ
れている。具体的には、上述のようなインク加圧室の一
側壁を振動板として構成し、この振動板を上記圧電式ア
クチュエータによって振動させることによりインク加圧
室内を加圧して噴射口からインクを噴射するようになっ
ている。そして、この場合にも上述したような機構の加
圧室を複数個連設して吐出ヘッドを構成している。

【０００４】そして、バブル式のインクジェットプリン
タにあっては、熱によるインク自体の化学変化を防止す
るためにインク自体に耐熱性が要求されるなど、インク
自体の品質管理が大変な上に、噴射されるインク粒子の
大きさを可変させることが難しく、そのため階調度を高
めるためには大きなレンジでのインク粒子数の制御、即
ち、単位面積当たりのインク粒子数の制御範囲を広げる
と言う面倒なことが必要となり、印刷速度が遅くなる、
といった問題がある。これに対して、圧電式のインクジ
ェットプリンタにあっては、インクは室温で使用できる
ことから品質管理が容易であり、しかも階調度は駆動電
圧を変えてインク粒子一個の大きさを制御することで容
易にコントロールでき、この理由から、この圧電式のイ
ンクジェットプリンタが多用される傾向にある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この圧電式
のインクジェットプリンタの性能を決める上で重要なも
のは吐出ヘッドの能力であり、いかに高速で微細な液体
粒子を間欠的に噴射することができるか、という点であ
る。そのためには、各インク加圧室に対して設けられる
圧電式アクチュエータの圧電歪定数を、装置の小型化を
維持したままできるだけ大きく設定することが必要であ
るが、高い階調度を維持したまま更に高速印字が要求さ
れる今日にあっては、先に示したような従来装置では十
分に対応することが困難になってきており、根本に立ち
返り圧電式アクチュエータ単体での性能向上が必要にな
ってきていた。

【０００６】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、圧電歪定数を向上させて、小型で高い階調度
を維持したまま高速印字が可能な圧電式アクチュエータ
及びこれを用いた液体吐出ヘッドを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に規定する発明
は、薄い略矩形状の圧電膜の両面に電極を設けてなる圧
電式アクチュエータにおいて、前記圧電膜の長さＬと幅
Ｗとの比Ｌ／Ｗが２０〜２００の範囲内であることを特
徴とする圧電式アクチュエータである。なお、前記圧電
膜の長さＬと幅Ｗとの比Ｌ／Ｗはより望ましくは４０以
上である。この場合、例えば請求項２に規定するよう
に、前記長さＬは、１〜１２ｍｍの範囲内である。な
お、より望ましくは４ｍｍ以下である。また、例えば請
求項３に規定するように、前記厚さＴは、５〜１００μ
ｍの範囲内である。

【０００８】また、例えば請求項４に規定するように、
前記圧電膜は単層型とすることができる。また、例えば
請求項５に規定するように、前記圧電膜とこの両面の電
極は、それぞれ交互に複数枚積み重ねられた積層型であ
る。

【０００９】請求項６に規定する発明は、所定のピッチ
で配列された複数の吐出液室と、前記各吐出液室に設け
られてこれに吐出液を供給するための吐出液供給口と、
前記各吐出液室を区画する一側壁に設けられた噴射ノズ
ル孔と、前記各吐出液室の他の一側壁を区画するように
設けた振動板と、前記各振動板に設けられた請求項１乃
至５のいずれかに記載された圧電式アクチュエータとを
備えるように構成したことを特徴とする液体吐出ヘッド
である。また、請求項７で規定する発明は、前記吐出液
がインクの場合でありインクジェットプリンタ用の液体
吐出ヘッドである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る圧電式アク
チュエータ及びこれを用いた液体吐出ヘッド、特にイン
クジェットプリンタ用吐出ヘッドの一実施例を添付図面
に基づいて詳述する。図１は本発明の圧電式アクチュエ
ータを用いたインクジェット吐出ヘッドを示す概略断面
図、図２は図１中の圧電式アクチュエータの部分を示す
拡大斜視図である。図示するように、このインクジェッ
ト吐出ヘッド２は、断面が略矩形状の多数の細長い吐出
液室（以下、インク室とも称す）としてのインク室４を
有している。このインク室４の数は、記録ヘッド２の大
きさに依存し、例えば数１０〜数１００個設けられる。
このインク室４は、所定のピッチＰ１で、例えば数１０
〜数１００μｍのピッチで配列され、隣り合うインク室
４は隔壁６により区画されると共に、底部は底部区画壁
８によって区画される。

【００１１】また、各インク室４の天井部は、厚さが比
較的薄い、例えば５〜１０μｍ程度の厚さの振動板１０
によって区画されており、後述するように、各インク室
４の振動板１０がそれぞれ固有に振動し得るようになっ
ている。これらの振動板１０と各隔壁６及び底部区画壁
８は、例えばＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）等により
一体焼結により形成されている。そして、この底部区画
壁８の下部には、例えば比較的厚めのステンレス板より
なるノズルベース１２が設けられると共に、更にこの下
部には例えば薄いステンレス板よりなるノズルプレート
１４が順次接合されている。尚、底部区画壁８を設けず
ノズルベース１２を直接各隔壁６に接合し、ノズルベー
ス１２の一部を底部区画壁８の替わりとして使用する構
造とすることもできる。

【００１２】そして、上記ノズルベース１２には、各イ
ンク室４に対応させてインク供給口１６が形成されてお
り、図示しないインク流路を介して各インク室４に必要
に応じてインクを供給し得るようになっている。また、
上記各インク室４を区画する底部区画壁８、ノズルベー
ス１２及びノズルプレート１４には、これらを貫通させ
て、例えば直径が１０〜３０μｍ程度の微細な噴射ノズ
ル孔１８が形成されている。これらの噴射ノズル孔１８
は、各インク室４に１つずつ対応させて設けており、後
述するように、上記振動板１０を振動させてインク室４
内を加圧することによって、この噴射ノズル孔１８から
インク滴を射出し得るようになっている。

【００１３】そして、上記各振動板１０の上部に本発明
の特徴とする圧電式アクチュエータ２０が１つずつ対応
させて設けられている。具体的には、この圧電式アクチ
ュエータ２０は、例えばチタン酸・ジルコン酸鉛系のセ
ラミック材等を焼成してなる略長方形状の圧電膜２２を
有しており、図中においてこの上面側に例えば銀あるい
はクロム−金複合膜よりなる上部電極２４を接合し、下
面側に例えば白金あるいはチタン−白金複合膜よりなる
下部電極２６を接合している。上記上部電極２４及び下
部電極２６の厚さは、それぞれ０.１〜８μｍ程度であ
り、また、下部電極２６は広い一枚の電極として各圧電
式アクチュエータ２０に対して共通に設けるようにして
もよい。この場合、圧電式アクチュエータ２０の幅は、
インク室４の幅の６０〜９５％程度の範囲内に設定され
ている。

【００１４】そして、このように構成された各圧電式ア
クチュエータ２０の上部電極２４と下部電極２６との間
に個別に電圧信号を加えることにより、圧電作用によっ
てこの圧電式アクチュエータ２０が伸縮し、これによっ
て振動板１０が歪んで振動し、その圧力変動によってイ
ンク室４内のインクが噴射ノズル孔１８からインク滴と
なって射出することになる。また、このインクジェット
吐出ヘッド２は、図示しないヘッド基台に載置されて、
記録紙等の記録媒体に対して走査しつつインクを射出す
ることになる。ここで、図２の圧電膜２２の上下電極２
４、２６間に電圧Ｖを印加した時の長さＬ方向の変位量
△Ｌと圧電歪定数ｄ_３１は以下の式（１）のように定義
される。 △Ｌ／Ｌ＝ｄ_３１Ｖ／Ｔ …（１）電界Ｖ／Ｔを一定においたとき変位量△Ｌは圧電歪定数
ｄ_３１と圧電膜の長さＬに比例する。圧電膜の長さＬは
極力小さくする方向にあるので圧電歪定数ｄ_３１はでき
るだけ大きいものが望まれる。また式（１）によれば変
位量△Ｌは素子幅Ｗには無関係であるが、本発明では以
下に示すように変位量△Ｌ、すなわち、圧電歪定数ｄ
_３１が素子幅Ｗに大きく依存することを見出した。よっ
て、より小さな電圧で高い圧電歪定数ｄ_３１を得て高い
効率で動作させるためには、圧電膜２２の長さＬ、幅Ｗ
及び厚さＴの関係が非常に重要となり、本発明では以下
に説明するように設定する。

【００１５】すなわち、まず、圧電膜２２の長さＬと幅
Ｗとの比Ｌ／Ｗを、２０〜２００の範囲内に設定する。
また、圧電膜２２の厚さＴは、好ましくは５〜１００μ
ｍの範囲内に設定するのがよい。更に、圧電膜２２の長
さＬは、好ましくは１〜１２ｍｍの範囲内に設定するも
のである。以下に、その理由をデータを参照して説明す
る。図３は圧電膜の厚さが５μｍの時の比Ｌ／Ｗと圧電
歪定数ｄ_３１との関係を示すグラフ、図４は圧電膜の厚
さが１０μｍの時の比Ｌ／Ｗと圧電歪定数ｄ_３１との関
係を示すグラフ、図５は圧電膜の厚さが３０μｍの時の
比Ｌ／Ｗと圧電歪定数ｄ_３１との関係を示すグラフであ
る。また、図６は圧電膜の長さが１２ｍｍの時の比Ｌ／
Ｗと圧電歪定数ｄ_３１との関係を示すグラフである。
尚、上記圧電歪定数ｄ_３１は以下の式（２）で一般的に
与えられる。ｄ_３１＝（ε_Ｏ・ε^Ｔ _３３・Ｓ^Ｅ _１１）^１／２・ｋ_３１ …（２）ここでε_Ｏは真空中の誘電率、ε^Ｔ _３３は材料の比
誘電率、Ｓ^Ｅ _１１は弾性コンプライアンス、ｋ_３１は
電気機械結合係数である。

【００１６】まず、微小な電圧で大きな変位を得るため
には上記式（１）の通り、圧電歪定数ｄ_３１の絶対値は
大きければ大きいほど程良いと言える。例えば、圧電歪
定数ｄ_３１が２００×１０^−１２ｍ／Ｖ以上の値であれ
ば望ましいと言える。本実施例ではより小型で且つ大き
なインク噴射圧を得るために、ばらつきが少なくより安
定した領域を、圧電歪定数ｄ_３１の絶対値が略３４０×
１０^−１２ｍ／Ｖ以上であると設定した。この点よ
り、図３〜図５を参照すると、圧電膜２２の厚さＴが５
〜３０μｍに変化しても、比Ｌ／Ｗが略２０以上なら
ば、圧電歪定数ｄ_３１の絶対値は略３４０×１０^−１２
ｍ／Ｖ以上であり、上記条件を満足していることが判
明する。しかも、この場合、圧電膜２２の長さＬを１〜
１２ｍｍの範囲内に変化させても、上記条件を満足して
いることが判明する。また、この圧電歪定数ｄ_３１は、
比Ｌ／Ｗが１００〜１２０程度のところでその上昇は飽
和しており、そして、吐出ヘッドの小型化からの要請に
より、圧電膜２２の長さＬも合理的な寸法があり、比Ｌ
／Ｗの上限値は略２００程度である。

【００１７】従って、以上の結果から、圧電膜２２の長
さＬと幅Ｗとの比Ｌ／Ｗを２０〜２００の範囲内に設定
するのが、圧電歪定数ｄ_３１の向上の上から必要である
ことが判る。また、この場合、圧電膜２２の長さＬは、
少なくとも１〜１２ｍｍの範囲内に設定するのがよいこ
とも判る。また、図６は圧電歪定数ｄ_３１の圧電膜の厚
さに対する依存性を示すグラフである。ここでは、圧電
膜２２の厚さＴを５〜１０００μｍ（＝１ｍｍ）まで種
々変更している。また、圧電膜２２の長さＬは１２ｍｍ
に一定に設定している。

【００１８】このグラフから明らかなように、比Ｌ／Ｗ
が２０以上であっても、圧電膜２２の厚さＴが１０００
μｍ（＝１ｍｍ）の場合には、圧電歪定数ｄ_３１の絶対
値は３１０〜３２０程度まで低くなっている。これに対
して、厚さＴが５〜１００μｍの場合には、比Ｌ／Ｗが
２０以上、好ましくは４０以上において圧電歪定数ｄ_３
_１の絶対値は略３４０以上であり、非常に良好な特性を
得るられることが分かる。この場合、厚さＴが１００μ
ｍの時には圧電歪定数はやや低いので、好ましくは厚さ
Ｔが５〜３０μｍの範囲内が特に特性上良好であること
が判明する。

【００１９】以上のように圧電膜の各寸法及び寸法比を
設定することにより、圧電歪定数を大幅に向上でき、従
って、インクの噴出圧力を広いレンジに亘って制御する
ことができるので、小型で且つ高密度な噴射ノズル配列
であっても、高い階調度を維持したまま、高速印字を可
能とすることができる。

【００２０】尚、上記実施例にあっては、１枚の圧電膜
２２の両面に電極２４、２６を設けた、いわゆる単層型
の圧電式アクチュエータを例にとって説明したが、これ
に限定されず、図７に示すように上述したような寸法の
圧電膜と電極とを交互に複数枚積み重ねてなる、いわゆ
る積層型の圧電式アクチュエータにも本発明を適用でき
るのは勿論である。図７の例は１層あたり２５μｍの圧
電膜を４層積み重ねて全体の厚みを１００μｍとしたも
ので、電極が交互に側面に取り出せるようになってい
る。積層体表面の上面と下面及び右側面にわたってマイ
ナスの電圧を印可する電極３６を設け、他方の側面にプ
ラスの電圧を印可する電極３４を設けている。このよう
な積層型の圧電式アクチュエータは、上述した単層型の
圧電式アクチュエータに比して圧電膜全体の厚みは同じ
であるが、一枚あたりの圧電膜を薄くし駆動電圧を同じ
に設定すれば圧電膜に加わる電界を大きくできる。他
方、駆動電界を同じに設定すれば駆動電圧を下げること
が出来る。そして、本実施例の積層型の圧電式アクチュ
エータについて特性評価を行ったところ、図６に示す単
層１００μｍの場合と同様の結果を得ることが出来た。

【００２１】次に、図８は本発明の他の圧電式アクチュ
エータ４０を用いたインクジエットプリンタ用液体吐出
ヘッドの実施例を示す断面図である。図１と同じ構造に
ついては同一符号を付して説明は省略する。本例は図示
のように圧電膜４２をインク室４に対して竪型に構成し
たもので、図示していないが圧電膜４２の上端部はアク
チュエータの部材に固定するようになしている。よっ
て、電圧を印加した時に長手方向に生じる圧電膜４２の
変位を先端突出部４４を介して直接振動板１０に伝達
し、インク室４内を加圧することにより噴射ノズル孔１
８からインク滴を射出するようにしたものである。ここ
で圧電膜４２は単層型でも積層型でも良く積層型の場合
は上記の例と同様に駆動電圧を小さく抑えることが出来
る。この竪型の例について特性評価を行ったところ、上
述の圧電膜を横に置いた構造とほぼ同様の効果を得るこ
とが出来た。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電式ア
クチュエータ及びこれを用いた医療用マイクロポンプや
インクジェットプリンタ等の液体吐出ヘッドによれば次
のように優れた作用効果を発揮することができる。圧電
膜の各寸法及び寸法比を所定の範囲内に設定することに
より、圧電歪定数を大幅に向上でき、従って、インクジ
ェットプリンタで言えば、インクの噴出圧力を広いレン
ジに亘って制御することができるので、小型で且つ高密
度な噴射ノズル配列であっても、高い階調度を維持した
まま、高速印字を可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電式アクチュエータを用いたインク
ジェット吐出ヘッドを示す概略断面図である。

【図２】図１中の圧電式アクチュエータの部分を示す拡
大斜視図である。

【図３】圧電膜の厚さが５μｍの時の比Ｌ／Ｗと圧電歪
定数ｄ_３１との関係を示すグラフである。

【図４】圧電膜の厚さが１０μｍの時の比Ｌ／Ｗと圧電
歪定数ｄ_３１との関係を示すグラフである。

【図５】圧電膜の厚さが３０μｍの時の比Ｌ／Ｗと圧電
歪定数ｄ_３１との関係を示すグラフである。

【図６】圧電膜の長さが１２ｍｍの時の比Ｌ／Ｗと圧電
歪定数ｄ_３１との関係を示すグラフである。

【図７】本発明の他の実施例である積層型圧電式アクチ
ュエータの圧電膜の積層部分を示す斜視図である。

【図８】本発明の圧電式アクチュエータの更に他の実施
例を示す吐出ヘッド部分の断面図である。

【符号の説明】

２インクジェット記録ヘッド４インク室１０振動板１８噴射ノズル２０、４０圧電式アクチュエータ２２、４２圧電膜２４上部電極（電極）２６下部電極（電極）３４積層型の一方の側面電極３６積層型の他方の電極４４圧電膜の先端突出部Ｌ圧電膜の長さＴ圧電膜の厚さＷ圧電膜の幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０４Ｂ 17/06 Ｂ４１Ｊ 3/04 １０３Ａ 53/00 Ｆ０４Ｂ 21/00 Ｎ 23/00 Ｈ０１Ｌ 41/08 ＣＨ０１Ｌ 41/09 Ｓ 41/083 Ｕ (72)発明者阿部徹埼玉県熊谷市三ヶ尻5200番地日立金属株式会社先端エレクトロニクス研究所内Ｆターム(参考） 2C057 AF37 AF55 AG12 AG39 AG44 AG48 BA04 BA14 3H069 AA04 BB01 CC10 DD11 DD44 DD48 EE01 EE41 3H071 AA05 BB01 CC11 CC17 CC31 CC47 DD04 DD42 DD84 DD89 EE11 EE12 3H075 AA07 BB04 BB21 CC30 CC32 CC36 DA05 DB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄い略矩形状の圧電膜の両面に電極を設
けてなる圧電式アクチュエータにおいて、前記圧電膜の
長さＬと幅Ｗとの比Ｌ／Ｗが２０〜２００の範囲内であ
ることを特徴とする圧電式アクチュエータ。
【請求項２】前記長さＬは、１〜１２ｍｍの範囲内で
あることを特徴とする請求項１記載の圧電式アクチュエ
ータ。
【請求項３】前記厚さＴは、５〜１００μｍの範囲内
であることを特徴とする請求項１または２記載の圧電式
アクチュエータ。
【請求項４】前記圧電膜が単層型であることを特徴と
する請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電式アクチュ
エータ。
【請求項５】前記圧電膜とこの両面の電極は、それぞ
れ交互に複数枚積み重ねられた積層型であることを特徴
とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電式アクチ
ュエータ。
【請求項６】所定のピッチで配列された複数の吐出液
室と、前記各吐出液室に設けられてこれに吐出液を供給するた
めの吐出液供給口と、前記各吐出液室を区画する一側壁に設けられた噴射ノズ
ル孔と、前記各吐出液室の他の一側壁を区画するように設けた振
動板と、前記各振動板に設けられた請求項１乃至５のいずれかに
記載された圧電式アクチュエータとを備えるように構成
したことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項７】前記吐出液がインクであることを特徴と
するインクジェットプリンタ用の液体吐出ヘッド。