JP2013163361A - Method of evaluating piezoelectric element, piezoelectric element, and liquid ejection head - Google Patents
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Abstract
【課題】 変形効率をより簡易に且つ精度よく評価することができる圧電素子の評価方法、圧電素子及び液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】 振動板55を介して圧力発生室12の上に設けられた圧電素子の評価方法であって、前記圧電素子の並設される方向を第1方向、これに直交する方向を第2方向とし、平面視における、前記圧電素子の圧電体能動部320の第1方向の長さをa(μm)、第2方向の長さをb(μm)、前記圧力発生室の第1方向の長さをc(μm)、第2方向の長さをd(μm)とし、(b/c)、(a/c)、及び[(b−c+100)/d]の値をパラメーターとして算出し、変形効率を評価する。
【選択図】 図5PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element evaluation method, a piezoelectric element and a liquid jet head capable of evaluating deformation efficiency more easily and accurately.
A method of evaluating a piezoelectric element provided on a pressure generating chamber 12 via a diaphragm 55, wherein the direction in which the piezoelectric elements are arranged side by side is a first direction, and a direction perpendicular to the first direction is a first direction. The length of the piezoelectric active portion 320 of the piezoelectric element in the first direction is a (μm), the length in the second direction is b (μm), and the first direction of the pressure generating chamber is two directions. The length in the second direction is c (μm), the length in the second direction is d (μm), and the values of (b / c), (a / c), and [(b−c + 100) / d] are calculated as parameters. And evaluate the deformation efficiency.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、振動板を介して圧力発生室の上に設けられた圧電素子の評価方法、圧電素子及び液体噴射ヘッドに関する。 The present invention relates to a method for evaluating a piezoelectric element provided on a pressure generating chamber via a diaphragm, a piezoelectric element, and a liquid ejecting head.
従来、電気機械変換素子として圧電素子が知られている。圧電素子は、通常、下部電極及び上部電極とこれらの電極によって挟持された圧電体層により構成され、振動板を介して圧力発生室の上に形成され、電圧を下部電極及び上部電極に印加することで駆動される。この様な圧電素子と振動板とからアクチュエーターが構成される。アクチュエーターは、同じ印加電圧に対して振動板の変形による変形量が大きいほど、電気機械変換効率がよい、即ち、アクチュエーターとしての性能がよいとされている。 Conventionally, a piezoelectric element is known as an electromechanical conversion element. The piezoelectric element is usually composed of a lower electrode and an upper electrode and a piezoelectric layer sandwiched between these electrodes, and is formed on the pressure generating chamber via a diaphragm, and applies a voltage to the lower electrode and the upper electrode. It is driven by that. An actuator is composed of such a piezoelectric element and a diaphragm. The actuator is said to have better electromechanical conversion efficiency, that is, better performance as an actuator, as the amount of deformation due to deformation of the diaphragm is larger for the same applied voltage.
また、特許文献1には、短手方向の長さ及び圧力発生室の短手方向の長さを調整し、圧電素子の駆動による振動板の変形量の変動を小さくする技術が記載されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 describes a technique for adjusting the length in the short direction and the length in the short direction of the pressure generating chamber to reduce the variation in the deformation amount of the diaphragm caused by driving the piezoelectric element. .
しかしながら、特許文献1に開示された評価方法ではアクチュエーターを精度よく評価することができず、更なる精度の向上が求められている。
However, the evaluation method disclosed in
そこで、本発明では、変形効率をより簡易に且つ精度よく評価することができる圧電素子の評価方法、圧電素子及び液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric element evaluation method, a piezoelectric element, and a liquid ejecting head that can evaluate deformation efficiency more easily and accurately.
上記課題を解決する本発明は、振動板を介して圧力発生室の上に設けられた圧電素子の評価方法であって、前記圧電素子の並設される方向を第1方向、これに直交する方向を第2方向とし、平面視における、前記圧電素子の圧電体能動部の第1方向の長さをa(μm)、第2方向の長さをb(μm)、前記圧力発生室の第1方向の長さをc(μm)、第2方向の長さをd(μm)とし、(b/c)、(a/c)、及び[(b−c+100)/d]の値をパラメーターとして算出し、変形効率を評価することを特徴とする圧電素子の評価方法にある。
これによれば、(b/c)、(a/c)、及び[(b−c+100)/d]の値をパラメーターとすることにより、変形効率をより簡易に且つ精度よく評価することができる。
The present invention for solving the above-mentioned problems is a method for evaluating a piezoelectric element provided on a pressure generating chamber via a diaphragm, wherein the direction in which the piezoelectric elements are arranged side by side is a first direction and is orthogonal to the first direction. The direction is the second direction, and the length of the piezoelectric active part of the piezoelectric element in the first direction is a (μm), the length of the second direction is b (μm) in plan view, The length in one direction is c (μm), the length in the second direction is d (μm), and the values of (b / c), (a / c), and [(b−c + 100) / d] are parameters. And evaluating the deformation efficiency in the piezoelectric element evaluation method.
According to this, by using the values of (b / c), (a / c), and [(b−c + 100) / d] as parameters, the deformation efficiency can be more easily and accurately evaluated. .
ここで、前記(b/c)、(a/c)、及び[(b−c+100)/d]の値で算出した変形効率を乗算して変形効率を評価するのが好ましい。これによれば、圧電素子全体の変形効率をより簡易に且つより精度よく評価することができる。 Here, it is preferable to evaluate the deformation efficiency by multiplying the deformation efficiency calculated by the values of (b / c), (a / c), and [(b−c + 100) / d]. According to this, the deformation efficiency of the whole piezoelectric element can be evaluated more easily and more accurately.
また、前記(b/c)が、3.0≦(b/c)≦5.0、前記(a/c)が、0.70≦a/c≦0.90、前記[(b−c+100)/d]が、1.0≦[(b−c+100)/d]≦1.2、の範囲にあるのが好ましい。これによれば、変形効率が好適な圧電素子が設計できる。 The (b / c) is 3.0 ≦ (b / c) ≦ 5.0, the (a / c) is 0.70 ≦ a / c ≦ 0.90, and the [(b−c + 100 ) / D] is preferably in the range of 1.0 ≦ [(b−c + 100) / d] ≦ 1.2. According to this, a piezoelectric element with suitable deformation efficiency can be designed.
本発明の他の態様は、振動板を介して圧力発生室の上に設けられた圧電素子であって、前記圧電素子の並設される方向を第1方向、これに直交する方向を第2方向とし、平面視における、前記圧電素子の圧電体能動部の第1方向の長さをa(μm)、第2方向の長さをb(μm)、前記圧力発生室の第1方向の長さをc(μm)、第2方向の長さをd(μm)とした場合、3.0≦(b/c)≦5.0、0.70≦a/c≦0.90、1.0≦[(b−c+100)/d]≦1.2、の条件を満たすことを特徴とする圧電素子にある。
かかる本発明によれば、変形効率の高い圧電素子を実現できる。
Another aspect of the present invention is a piezoelectric element provided on a pressure generation chamber via a diaphragm, wherein the direction in which the piezoelectric elements are arranged side by side is a first direction, and a direction orthogonal to the second direction is a second direction. The length of the piezoelectric active part of the piezoelectric element in the first direction is a (μm), the length of the second direction is b (μm), and the length of the pressure generating chamber in the first direction in plan view. When the thickness is c (μm) and the length in the second direction is d (μm), 3.0 ≦ (b / c) ≦ 5.0, 0.70 ≦ a / c ≦ 0.90, The piezoelectric element is characterized by satisfying the condition of 0 ≦ [(b−c + 100) / d] ≦ 1.2.
According to the present invention, a piezoelectric element with high deformation efficiency can be realized.
また、本発明の他の態様は、前記圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明によれば、吐出特性の良い液体噴射ヘッドを実現できる。
Another aspect of the invention is a liquid ejecting head including the piezoelectric element.
According to the present invention, a liquid ejecting head having good ejection characteristics can be realized.
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図であり、図3は図2のA−A′線断面図である。図1〜図3に示すように、本実施形態の流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head according to
流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14及び連通路15を介して連通されている。連通部13は、後述する保護基板のマニホールド部31と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路14を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路14を形成してもよい。本実施形態では、流路形成基板10には、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15からなる液体流路が設けられていることになる。
A plurality of
また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
Further, on the opening surface side of the flow
一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、例えば厚さ30〜50nm程度の酸化チタン等からなり、弾性膜50等の第1電極60の下地との密着性を向上させるための密着層56が設けられている。なお、密着層56は必ずしも設ける必要はなく、また、弾性膜50上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。
On the other hand, the
さらに、この密着層56上には、第1電極60と、厚さが620nm〜1520nmの薄膜である圧電体層70と、第2電極80とが、積層形成されて、圧力発生室12に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としての圧電素子300を構成している。ここで、圧電素子300は、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第1電極60を圧電素子300の共通電極とし、第2電極80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。ここで、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部320といい、圧電体能動部320から連続するが第1電極60と第2電極80に挟まれておらず、電圧駆動されない部分を圧電体非能動部という。また、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変形が生じる振動板とを合わせて、圧電素子又はアクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜50、密着層56、第1電極60及び必要に応じて設ける絶縁体膜が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜50や密着層56を設けなくてもよい。また、圧電素子300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよく、この場合も全体を圧電素子という。
Further, a
そして、本実施形態においては、圧電体層70を構成する圧電材料は、ペロブスカイト構造を有する複合酸化物であり、例えば、Pb、Ti及びZrを少なくとも含みペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなるものである。具体的には、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。本実施形態の圧電体層70は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる。
In the present embodiment, the piezoelectric material constituting the
なお、特に、非鉛又は鉛の含有量を抑え、環境への負荷を低減するためには、ビスマス(Bi)、鉄(Fe)、バリウム(Ba)及びチタン(Ti)を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物を用いてもよい。このようなBi,Fe,Ba及びTiを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、または、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体としても表される。 In particular, in order to suppress the content of non-lead or lead and reduce the burden on the environment, it has a perovskite structure containing bismuth (Bi), iron (Fe), barium (Ba) and titanium (Ti). A composite oxide may be used. Such a composite oxide containing Bi, Fe, Ba, and Ti and having a perovskite structure is a composite oxide having a perovskite structure of a mixed crystal of bismuth ferrate and barium titanate, or bismuth ferrate and barium titanate. Is also expressed as a solid solution in which the solid solution is uniformly dissolved.
そして、このような圧電素子300の個別電極である各第2電極80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、弾性膜50上や必要に応じて設ける絶縁体膜上にまで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。
Each of the
このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上、すなわち、第1電極60、弾性膜50や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極90上には、マニホールド100の少なくとも一部を構成するマニホールド部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。このマニホールド部31は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100を構成している。また、流路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、マニホールド部31のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50、必要に応じて設ける絶縁体膜等)にマニホールド100と各圧力発生室12とを連通するインク供給路14を設けるようにしてもよい。
At least a part of the manifold 100 is formed on the flow
また、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部32が設けられている。圧電素子保持部32は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
A piezoelectric
このような保護基板30としては、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
As such a
また、保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。
The
また、保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。この駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。
A
また、このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜41によってマニホールド部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板42のマニホールド100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、マニホールド100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
In addition, a
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加し、弾性膜50、密着層56、第1電極60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。
In such an ink jet recording head I of this embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the manifold 100 to the
本発明は、このようなインクジェット式記録ヘッドI、又はこれに搭載される圧電素子を設計する場合において、圧電素子の変位効率を良好な範囲に保持しつつ、圧力発生室12の寸法、及び圧電素子300の圧電体能動部320の寸法を、簡便に設計できる評価方法に関する。
In the case of designing such an ink jet recording head I or a piezoelectric element mounted thereon, the present invention maintains the displacement efficiency of the piezoelectric element within a good range, and the dimensions of the
以下に本発明の実施形態に係る圧電素子の評価方法について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a method for evaluating a piezoelectric element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図4〜図5に本実施形態で実施したシミュレーションに用いた圧電素子の模式図を示す。図4は、図3の平面図であり、図4(a)は圧力発生室12及び圧電体能動部320を長方形とした場合、図4(b)は圧力発生室12及び圧電体能動部320を平行四辺形とした場合であり、図5(a)、(b)は図4(a)のB−B′線断面図、C−C′線断面図である。図4(b)を説明するための図面は省略する。なお、図5には、上述した実施例では主として弾性膜50からなる振動板55が模式的に示してある。
4 to 5 are schematic diagrams of the piezoelectric element used in the simulation performed in the present embodiment. 4 is a plan view of FIG. 3. FIG. 4A shows a case where the
圧電素子の並設される方向を第1方向、これに直交する方向を第2方向とした場合、平面視における、圧電体能動部320の第1方向(B−B′線方向)の長さをa(μm)、第2方向(C−C′線方向)の長さをb(μm)、圧力発生室12の第1方向(B−B′線方向)の長さをc(μm)、第2方向(C−C′線方向)の長さをd(μm)とし、(b/c)、(a/c)、及び[(b−c+100)/d]の値をパラメーターとし、これらと圧電素子の変形効率との関係をシミュレーションし、図6には、(b/c)の値と変形効率との関係、図7には、(a/c)の値と変形効率との関係、図8には[(b−c+100)/d]の値と変形効率との関係を示す。なお、図6及び図7については、圧力発生室12及び圧電体能動部320が長方形の場合と平行四辺形の場合とについて行ったが、両者について差がほとんどなかったので、図8については長方形の場合のみシミュレーションを行った。
When the direction in which the piezoelectric elements are arranged side by side is the first direction, and the direction orthogonal thereto is the second direction, the length in the first direction (BB ′ line direction) of the piezoelectric
シミュレーションは有限要素法で行い、圧電素子の駆動による振動板の変形量と圧力発生室の体積変化(排除体積)を計算することにより行った。 The simulation was performed by the finite element method, and was calculated by calculating the deformation amount of the diaphragm and the volume change (excluded volume) of the pressure generation chamber by driving the piezoelectric element.
なお、シミュレーションした範囲は、34≦c≦70(μm)、0.10≦(a/c)≦1.0、1.0≦(b/c)≦5.0、0.0<[(b−c+100)/d]≦1.2である。 The simulated ranges are 34 ≦ c ≦ 70 (μm), 0.10 ≦ (a / c) ≦ 1.0, 1.0 ≦ (b / c) ≦ 5.0, 0.0 <[( b−c + 100) / d] ≦ 1.2.
また、振動板55から保護膜がある場合には保護膜まで含めた圧電素子300全体の厚みをe、圧電体能動部320の圧電体層70の厚みをfとした場合、0.37≦(f/e)≦1.0とし、圧電体層70の変形量δを、0.030≦δ≦1.0(μm)の範囲として、シミュレーションした。
Further, when there is a protective film from the
本実施形態で評価する変形効率とは、振動板の変形量δを変形効率に換算し、排除体積(%)に対応するものである。 The deformation efficiency evaluated in the present embodiment corresponds to the excluded volume (%) by converting the deformation amount δ of the diaphragm into the deformation efficiency.
図6には、圧電体能動部320の第2方向の長さbと圧力発生室12の第1方向の長さcとの比(b/c)と変形効率(%)との関係を示す。
FIG. 6 shows the relationship between the ratio (b / c) between the length b in the second direction of the piezoelectric
図6より、(b/c)が小さくなるほど変形効率が小さくなり、(b/c)≧3.0、好ましくは、(b/c)≧4.0の範囲で、アクチュエーターの変形効率が最大、つまり、約100%になることがわかる。なお、現実的な寸法規制から、(b/c)は20以下となるのが好ましいことがわかっている。 From FIG. 6, the deformation efficiency decreases as (b / c) decreases, and the deformation efficiency of the actuator is maximum in the range of (b / c) ≧ 3.0, preferably (b / c) ≧ 4.0. That is, it turns out that it becomes about 100%. In addition, it is known from the realistic dimension regulation that (b / c) is preferably 20 or less.
図7には、圧電体能動部320の第1方向の長さaと圧力発生室12の第1方向の長さcとの比(a/c)と、変形効率(%)との関係を示す。
FIG. 7 shows the relationship between the ratio (a / c) between the length a in the first direction of the piezoelectric
図7より、0.70≦a/c≦0.90、好ましくは、0.70≦a/c≦0.85の範囲で、アクチュエーターの変形効率は、最大、つまり、約100%になり、この範囲から外れるほど変形効率が低下することがわかる。 From FIG. 7, in the range of 0.70 ≦ a / c ≦ 0.90, preferably 0.70 ≦ a / c ≦ 0.85, the deformation efficiency of the actuator is maximum, that is, about 100%, It turns out that deformation efficiency falls, so that it remove | deviates from this range.
図8には、圧電体能動部320の第2方向の長さb、圧力発生室12の第1方向の長さcに関する所定値[(b−c+100)/d]と、変形効率との関係を示す。
FIG. 8 shows the relationship between the predetermined value [(b−c + 100) / d] relating to the length b of the piezoelectric
図8より、[(b−c+100)/d]≧1.0の範囲で、アクチュエーターの変形効率が最大、つまり、約100%になることがわかる。なお、現実的な寸法規制から、[(b−c+100)/d]は2.0以下となるのが好ましいことがわかっている。 FIG. 8 shows that the deformation efficiency of the actuator is maximum, that is, about 100% in the range of [(b−c + 100) / d] ≧ 1.0. In addition, it has been found that [(b−c + 100) / d] is preferably 2.0 or less from realistic dimensional regulations.
ここで[(b−c+100)/d]の変形効率は、a/c、b/cで規定される変形効率と意味あいが異なる。排除体積は、圧電体能動部320の第2方向(C−C′線方向)の長さb(μm)を圧力発生室12の第1方向(B−B′線方向)の長さc(μm)で補正した(b−c+100)と、圧力発生室12の第2方向(C−C′線方向)の長さd(μm)との比が[(b−c+100)/d]<1の場合、圧電体能動部320の第2方向(C−C′線方向)の長さb(μm)を圧力発生室12の第1方向(B−B′線方向)の長さc(μm)で補正した(b−c+100)と圧力発生室12の第1方向(B−B′線方向)の長さc(μm)と変形量δの積に比例する。一方、[(b−c+100)/d]≧1の場合排除体積は、圧力発生室12の第1方向(B−B′線方向)の長さc(μm)と変形量δの積に比例するが、圧電体能動部320の第2方向(C−C′線方向)の長さb(μm)を圧力発生室12の第1方向(B−B′線方向)の長さc(μm)で補正した(b−c+100)には比例しなくなる。[(b−c+100)/d]の変形効率は、圧力発生室12の第2方向(C−C′線方向)の長さd(μm)と、図示はされないが実際に変形に寄与している圧電体能動部320の第2方向(C−C′線方向)の長さb’(μm)の比b’/dであり、変形効率の最適な範囲を簡便に且つ精度よく評価することができるパラメータとして重要であるとし、パラメータとして取り入れた。
Here, the deformation efficiency of [(b−c + 100) / d] is different in meaning from the deformation efficiency defined by a / c and b / c. The excluded volume is defined as a length b (μm) in the second direction (C-C ′ line direction) of the piezoelectric
これらの結果、(b/c)、(a/c)、及び[(b−c+100)/d]の値と変形効率との関係から、設計可能なa〜dの寸法を考慮すると、a〜dの各値に関する変形効率が容易に評価できるので、設計条件に合致し且つ変形効率が良好な設計範囲が容易に評価できる。 As a result, from the relationship between the values of (b / c), (a / c), and [(b−c + 100) / d] and the deformation efficiency, the dimensions a to d that can be designed are taken into consideration. Since the deformation efficiency for each value of d can be easily evaluated, a design range that meets the design conditions and has good deformation efficiency can be easily evaluated.
例えば、圧力発生室12の第1方向の寸法c=34μmの場合、圧力発生室12の第2方向の寸法d、圧電体能動部320の第1方向の寸法a、第2方向の寸法bの好適な範囲は以下の通りとなる。
For example, when the dimension c in the first direction of the
24≦a≦29(μm)(0. 70≦a/c≦0. 85)
140≦b≦170(μm)(4.0≦b/c≦5.0)
172≦d≦236(μm)(1.0≦[(b−c+100)/d]≦1.2)
24 ≦ a ≦ 29 (μm) (0.70 ≦ a / c ≦ 0.85)
140 ≦ b ≦ 170 (μm) (4.0 ≦ b / c ≦ 5.0)
172 ≦ d ≦ 236 (μm) (1.0 ≦ [(b−c + 100) / d] ≦ 1.2)
また、例えば、圧力発生室12の第1方向の寸法c=70μmの場合は以下の範囲が最適範囲となる。
For example, when the dimension c of the
49≦a≦60(μm)(0. 70≦a/c≦0. 85)
280≦b≦350(μm)(4.0≦b/c≦5.0)
258≦d≦380(μm)(1.0≦[(b−c+100)/d]≦1.2)
49 ≦ a ≦ 60 (μm) (0.70 ≦ a / c ≦ 0.85)
280 ≦ b ≦ 350 (μm) (4.0 ≦ b / c ≦ 5.0)
258 ≦ d ≦ 380 (μm) (1.0 ≦ [(b−c + 100) / d] ≦ 1.2)
上述した実施形態の圧電素子は、このような最適範囲を満足する、圧電体能動部320の第1方向(B−B′線方向)の長さをa(μm)、第2方向(C−C′線方向)の長さをb(μm)、圧力発生室12の第1方向(B−B′線方向)の長さをc(μm)、第2方向(C−C′線方向)の長さをd(μm)としたものである。
In the piezoelectric element of the above-described embodiment, the length in the first direction (BB ′ line direction) of the piezoelectric
なお、(b/c)、(a/c)、及び[(b−c+100)/d]の値のぞれぞれと、変形効率との関係から、アクチュエーターの変形効率を評価してもよいが、例えば、全てのパラメーターの積などを評価パラメーターとして用いるなどしてもよく、評価方法は特に限定されない。 Note that the deformation efficiency of the actuator may be evaluated from the relationship between the deformation efficiency and each of the values (b / c), (a / c), and [(b−c + 100) / d]. However, for example, the product of all parameters may be used as the evaluation parameter, and the evaluation method is not particularly limited.
また、上述した例では、圧力発生室及び圧電体能動部を長方形又は平行四辺形としてシミュレーションしたが、楕円、長円、陸上競技のトラック形状などしても同様であることは、上述した長方形及び平行四辺形に関するシミュレーション結果から明らかである。 In the above example, the pressure generation chamber and the piezoelectric active part were simulated as a rectangle or a parallelogram, but the same applies to the ellipse, the ellipse, the track shape of the track and field, etc. It is clear from the simulation results on the parallelogram.
本発明の評価方法は、上述した圧電素子や液体噴射ヘッドを設計する際には、圧力発生室や圧電電体能動部のある程度の寸法は、各部材の寸法等から規制を受けるが、このような規制から、最大の変形効率を得ることができる、圧電体能動部320の第1方向(B−B′線方向)の長さa(μm)、第2方向(C−C′線方向)の長さb(μm)、圧力発生室12の第1方向(B−B′線方向)の長さc(μm)、第2方向(C−C′線方向)の長さd(μm)を、比較的簡便に且つ高精度に予測する手法として極めて有用である。
In the evaluation method of the present invention, when designing the piezoelectric element and the liquid jet head described above, the dimensions of the pressure generating chamber and the piezoelectric electric active part are restricted by the dimensions of each member. Length a (μm) in the first direction (BB ′ line direction) and the second direction (CC ′ line direction) of the piezoelectric
このような実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図9は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。 The ink jet recording head of such an embodiment constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 9 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
図9に示すインクジェット式記録装置IIにおいて、インクジェット式記録ヘッドIを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
In the ink jet recording apparatus II shown in FIG. 9, the
そして、駆動モーター6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
The driving force of the driving
なお、上述した実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。 In the above-described embodiment, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely applied to all liquid ejecting heads, and the liquid ejecting ejects a liquid other than ink. Of course, it can also be applied to the head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
また、本発明にかかる圧電素子は、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、その他のデバイスにも用いることができる。その他のデバイスとしては、例えば、超音波発信器等の超音波デバイス、超音波モーター、温度−電気変換器、圧力−電気変換器、強誘電体トランジスター、圧電トランス、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルター等のフィルターなどが挙げられる。また、センサーとして用いられる圧電素子、強誘電体メモリーとして用いられる圧電素子にも本発明は適用可能である。圧電素子が用いられるセンサーとしては、例えば、赤外線センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー、焦電センサー、及びジャイロセンサー(角速度センサー)等が挙げられる。 Further, the piezoelectric element according to the present invention is not limited to the piezoelectric element used in the liquid ejecting head, and can be used in other devices. Other devices include, for example, an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a temperature-electric converter, a pressure-electric converter, a ferroelectric transistor, a piezoelectric transformer, and a filter for blocking harmful rays such as infrared rays. And filters such as an optical filter using a photonic crystal effect by quantum dot formation, an optical filter using optical interference of a thin film, and the like. The present invention can also be applied to a piezoelectric element used as a sensor and a piezoelectric element used as a ferroelectric memory. Examples of the sensor using the piezoelectric element include an infrared sensor, an ultrasonic sensor, a thermal sensor, a pressure sensor, a pyroelectric sensor, and a gyro sensor (angular velocity sensor).
I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 II インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、 10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 マニホールド部、 32 圧電素子保持部、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 60 第1電極、 70 圧電体層、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 マニホールド、 120 駆動回路、 300 圧電素子、 320 圧電体能動部 I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 13 communicating portion, 14 ink supply path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 manifold portion, 32 piezoelectric element holding portion, 40 compliance substrate, 50 elastic film, 60 first electrode, 70 piezoelectric layer, 80 second electrode, 90 lead electrode, 100 manifold, 120 drive circuit, 300 piezoelectric Element, 320 piezoelectric active part
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|---|---|---|---|---|
| JP2015157395A (en) * | 2014-02-24 | 2015-09-03 | セイコーエプソン株式会社 | Liquid ejection head and liquid ejection device |
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