JP2005027403A

JP2005027403A - Piezoelectric actuator, liquid ejection device, method for correcting stray capacitance, and electronic device

Info

Publication number: JP2005027403A
Application number: JP2003188606A
Authority: JP
Inventors: Shin Ishikura; 慎石倉; Manabu Hibi; 学日比
Original assignee: Brother Industries Ltd; Kyocera Corp
Current assignee: Brother Industries Ltd; Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP4307164B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator, a liquid discharger, a method for correcting stray capacitance thereof, and an electronic equipment, of less variation in displacement behavior caused by changes in stray capacitance. <P>SOLUTION: The piezoelectric actuator comprises a plurality of laminated piezoelectric ceramic layers 3 with a laminate at least one layer of common electrode 5 disposed between the piezoelectric ceramic layers 3, and surface electrodes 7 which are arrayed on the surface of the top piezoelectric ceramic layer 3, and composed of a drive part 7a contributing to piezoelectric driving and a land part 7b which is connected to one end of the drive part 7a for applying a drive voltage. The areas of the land parts 7b are not constant. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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圧電アクチュエータ、液体吐出装置およびその浮遊容量の補正方法、並びに電子機器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。
【００１３】
即ち、本発明の圧電アクチュエータは、積層された複数の圧電セラミック層と、これらの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と、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、からなる表面電極とを備えた圧電アクチュエータであって、前記ランド部の面積を不均一に形成したことを特徴とするものである。
【００１４】
このような構成によれば、駆動電圧信号を伝送させるための複数の信号経路における誘電損失のばらつきを補正することができ、これにより上記複数の信号経路間に発生する浮遊容量の変動を低減できる。特に、駆動信号の立ちあがりに対する変位素子の応答挙動が一様となり、変位ばらつきの少ない高精度の圧電アクチュエータを実現できる。
【００１５】
上記圧電アクチュエータでは、前記ランド部の面積の最小値に対する最大値の比が、１．２以上であることが望ましい。
【００１６】
本発明の液体吐出装置は、上記のような圧電アクチュエータを用いて構成されるもので、それは、少なくとも最表面の圧電セラミック層上に複数の表面電極を設けてなる圧電アクチュエータと、インク吐出孔を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、ここで、浮遊容量補正手段が、前記ランド部の面積の大きさを調整して行われるものであることが望ましい。
【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、少なくとも最表面の圧電セラミック層上に複数の表面電極を設けてなる圧電アクチュエータと、インク吐出孔を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、前記表面電極を構成するランド部の面積の大きさで調整することを特徴とするものであり、このような本発明の液体吐出装置を備える電子機器は、上記の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電アクチュエータについて詳細に説明する。図１は本発明の圧電アクチュエータを示す概略断面図である。
【００１９】
本発明の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、本発明の圧電アクチュエータでは、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。こうして、本発明の圧電アクチュエータは、印刷ヘッドなどに代表される液体吐出装置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。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の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。
【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。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, it is an object of the present invention to provide a piezoelectric actuator, a liquid ejecting apparatus, a method for correcting the stray capacitance, and an electronic apparatus with little variation in displacement behavior due to a change in 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.
[0013]
That is, the piezoelectric actuator of the present invention includes a plurality of laminated piezoelectric ceramic layers, at least one common electrode disposed between these piezoelectric ceramic layers, and a plurality of arrays on the surface of the uppermost piezoelectric ceramic layer. A piezoelectric actuator comprising a driving part that contributes to piezoelectric driving, and a driving voltage application land part connected to one end of the driving part, and a surface electrode. It is characterized by being formed uniformly.
[0014]
According to such a configuration, variations in dielectric loss in a plurality of signal paths for transmitting a drive voltage signal can be corrected, and thereby fluctuations in stray capacitance generated between the plurality of signal paths can be reduced. . In particular, the response behavior of the displacement element with respect to the rising of the drive signal is uniform, and a highly accurate piezoelectric actuator with little variation in displacement can be realized.
[0015]
In the piezoelectric actuator, it is desirable that a ratio of the maximum value to the minimum value of the land area is 1.2 or more.
[0016]
The liquid ejection device of the present invention is configured using the piezoelectric actuator as described above, which includes a piezoelectric actuator having a plurality of surface electrodes on at least the outermost piezoelectric ceramic layer, and an ink ejection hole. A plurality of ink pressurizing chambers, a flow path member attached to the lowermost piezoelectric ceramic layer of the piezoelectric actuator with the positions of the ink pressurizing chambers and the surface electrodes aligned, and the piezoelectric A wiring board connected to a land portion on the actuator; and a drive circuit for supplying a driving voltage signal to each of the plurality of surface electrodes formed on the piezoelectric actuator through the wiring board; A stray capacitance correcting means is provided on a signal path constituted by an electrode, the wiring board, and the drive circuit. A shall, where stray capacitance compensation means is desirably one that is performed by adjusting the size of the area of the land portion.
[0017]
Furthermore, regarding the liquid ejection apparatus of the present invention, when referring to the method for correcting the stray capacitance, it includes at least a piezoelectric actuator having a plurality of surface electrodes on the outermost piezoelectric ceramic layer and a plurality of ink ejection holes. An ink pressurizing chamber is provided, and a flow path member attached to the piezoelectric ceramic layer of the lowermost layer of the piezoelectric actuator with the ink pressurizing chamber and the surface electrode aligned, and on the piezoelectric actuator A wiring board connected to the land portion; and a drive circuit for supplying a driving voltage signal to each of the plurality of surface electrodes formed on the piezoelectric actuator through the wiring board, and generates a driving voltage signal The stray capacitance generated in the signal path from the drive circuit to the surface electrode of the piezoelectric actuator is defined by the surface electrode. The electronic device including the liquid ejection device according to the present invention includes the above-described piezoelectric actuator. .
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the piezoelectric actuator of the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a piezoelectric actuator of the present invention.
[0019]
The piezoelectric actuator 1 of 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 a surface of the uppermost piezoelectric ceramic layer 3. A plurality of surface electrodes 7 are arranged. 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 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 series), lead magnesium niobate (PMN series), lead nickel niobate (PNN series), 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 connected 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 portion 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 piezoelectric actuator of the present invention, the drive circuit for driving the piezoelectric actuator by forming the area of the land portion nonuniformly among the surface electrodes formed on the surface of the piezoelectric actuator. Variation in displacement behavior due to a change in the stray capacitance generated in the signal path from to the surface electrode can be reduced. Thus, the piezoelectric actuator of the present invention can be suitably used for an electronic device such as a printer using a liquid ejection apparatus typified by a print head.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a piezoelectric actuator of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a surface electrode structure formed on the uppermost piezoelectric ceramic layer.
FIG. 3 is a schematic cross-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.
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. It is.
[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

A plurality of piezoelectric ceramic layers stacked, at least one common electrode disposed between these piezoelectric ceramic layers, and a plurality of drivers arranged on the surface of the uppermost piezoelectric ceramic layer and contributing to piezoelectric driving And a piezoelectric actuator comprising a land electrode for driving voltage application connected to one end of the driving portion, wherein the land portion has an uneven area. Actuator.

The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a ratio of a maximum value to a minimum value of the area of the land portion is 1.2 or more.

A piezoelectric actuator having a plurality of surface electrodes provided on at least the outermost piezoelectric ceramic layer and a plurality of ink pressurizing chambers having ink discharge holes are provided, and the positions of the ink pressurizing chamber and the surface electrodes are aligned. A flow path member attached to the lowermost piezoelectric ceramic layer of the piezoelectric actuator, a wiring board connected to a land portion on the piezoelectric actuator, and the piezoelectric actuator formed on the piezoelectric actuator through the wiring board. A drive circuit for supplying a drive voltage signal to each of the plurality of surface electrodes, and stray capacitance correction means provided on a signal path constituted by the surface electrode, the wiring board, and the drive circuit. A liquid ejection apparatus characterized by the above.

The liquid ejection apparatus according to claim 3, wherein the stray capacitance correction unit is performed by adjusting a size of an area of the land portion.

A piezoelectric actuator having a plurality of surface electrodes provided on at least the outermost piezoelectric ceramic layer and a plurality of ink pressurizing chambers having ink discharge holes are provided, and the positions of the ink pressurizing chamber and the surface electrodes are aligned. A flow path member attached to the lowermost piezoelectric ceramic layer of the piezoelectric actuator, a wiring board connected to a land portion on the piezoelectric actuator, and the piezoelectric actuator formed on the piezoelectric actuator through the wiring board. A drive circuit for supplying a drive voltage signal to each of the plurality of surface electrodes, and stray capacitance generated in a signal path from the drive circuit that generates the drive voltage signal to the surface electrode of the piezoelectric actuator, Correction of stray capacitance of liquid ejection device characterized by adjusting by the size of the area of the land part constituting the electrode Law.

An electronic apparatus comprising the piezoelectric actuator according to claim 1.