JP4583117B2

JP4583117B2 - 液体噴出装置及びインクジェットヘッド

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Publication number: JP4583117B2
Application number: JP2004263384A
Authority: JP
Inventors: 慎石倉; 誠東別府
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: JP2006076164A

Description

本発明は、微細な変位を発生せしめることにより、各種デバイスの位置決めや加圧に用いられる圧電アクチュエータと、これを利用したインクジェットヘッドに関するものである。

近年、各種装置の小型化及び高精度化に伴い、微細な制御や応答を可能とする各種圧電アクチュエータの利用が拡大している。

このような微細な圧電アクチュエータをインクジェットヘッドは、例えば、図２（ａ）に示したように、圧電アクチュエータ２１が、内部に液体流路を具備する流路部材３１の上に設けられた構造を有する（例えば、特許文献１参照）。

圧電アクチュエータ２１は、振動板２２上に共通電極２４、圧電体層２５及び個別電極２６がこの順にそれぞれが１層以上積層してなる駆動素子２７が形成され、個別電極２６は、図２（ｂ）に示したように、圧電体層２５の表面に複数マトリックス状に配列されている。また、流路部材３１は、複数のインク加圧室３４が隔壁３５によって仕切られ、インク加圧室３４は圧電アクチュエータ２１に当接するように並設されている。

圧電アクチュエータ２１は、それぞれのインク加圧室３４の直上に各個別電極２６が位置するように配列して流路部材３１上に配置し、各インク加圧室３４にはそれぞれインク吐出口３８が連通している。

そして、共通電極２４と所定の個別電極２６との間に電圧を印加して、駆動素子２７を変形させることによって、変位領域２７ａが振動板２２と共に屈曲変形し、該個別電極２６直下のインク室３４の体積を変化させ、インク加圧室３４内のインクを、流路部材３１の底面に開口したインク吐出口３８よりインク滴を吐出する。

このような圧電アクチュエータを用いた液体噴出装置は、液体の噴出孔が複数設けられ、各噴出孔に連通するインク室に対応する圧電アクチュエータの各変位素子の変位にばらつきがあり、その結果、噴出する液滴の噴出速度や液滴量がばらついて、印刷状態が低下する問題があった。

そこで、各液室に対応する変位部の静電容量が異なるため、液室毎の駆動電圧が一定の場合に、液滴の噴射速度は圧電体層の容量の大きさに比例するため、静電容量の大きな液室の液滴噴射速度が高くなる。そこで、各変位部の静電容量を測定し、その静電容量の大きさに基づいて、各変位部を、分極条件を変えて分極することによって変位ばらつきを改善することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、ＰＺＴの分極量が異なる場合、インクチャンネルに対応するＰＺＴに対してレーザー光を照射してＰＺＴの分極量を減少させて各インクチャンネルに対応する分極量が均一になるように調整することによって、ＰＺＴの変位量を調整することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、圧電体薄膜の場合、駆動履歴のある変位素子と駆動履歴のない変位素子との間で分極に差が生じ、残留分極が発生するため、駆動波形とは逆極性の連続的なパルス波形を圧電体に印加することによって、残留分極による変位ばらつきを低減することが提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００１−１６２７９６号特開２００３−２３１２６３号特開平１０−２２６０８０号特開２００３−８０６９８号

しかしながら、特許文献２〜４に記載の手段を用いて変位ばらつきを抑制する方法によって、従来に比べて変位ばらつきが小さくなるものの、例えば、圧電アクチュエータがインクジェットヘッドに使用された場合、変位量が低下して噴出する液滴量が低下することがあるため、上記の手法だけでは各変位素子の変位ばらつきを充分に抑制できないことがあるという問題があった。

よって、本発明は、変位ばらつきをさらに改善することが可能な液体噴出装置及びインクジェットヘッドを提供することを目的とする。

本発明の液体噴出装置は、圧電体の内部に内部電極を具備する圧電アクチュエータを、液滴噴出孔に連通する複数の液体加圧室が設けられた流路部材上に設けている液体噴出装置において、前記流路部材が導電性材料からなり、前記圧電アクチュエータの前記流路部材に接合されている部位である被拘束部の前記圧電体の内部の、前記流路部材に最も近い前記内部電極と前記流路部材との間に前記圧電体よりも誘電率が低く、絶縁性の低誘電率層が設けられていることを特徴とする。

前記低誘電率層が、前記内部電極のある部位の前記圧電体に設けられていることが好ましい。

また、本発明の液体噴出装置は、圧電体からなる振動板の上に、一対の電極で圧電体層を挟持してなる変位素子が複数設けられている圧電アクチュエータを、液滴噴出孔に連通する複数の液体加圧室が設けられた流路部材上に設けている液体噴出装置において、前記流路部材が導電性材料からなり、前記振動板の前記流路部材に接合されている部位である被拘束部の内部に該振動板よりも誘電率が低く、絶縁性の低誘電率層が設けられていることを特徴とする。

前記低誘電率層が、前記一対の電極のある部位の前記振動板に設けられていることが好ましい。

本発明のインクジェットヘッドは、上記の液体噴出装置にインクが供給され、前記圧電アクチュエータの駆動によって、前記液滴噴出孔からインク滴の噴出が可能であることを特徴とする。

本発明は、流路部材が導電性部材の場合に、内部電極との間で電位差が生じ、その結果変位状態に影響を及ぼすという新規な知見に基づき、圧電素子の被拘束部において、誘電率の低い絶縁材料からなる層を設けることにより、該圧電素子を拘束する部位との間に生じる電位差によって、該圧電素子の被拘束部の分極状態が変化することを抑制することを見出し、その結果、圧電アクチュエータの変形特性が低下したり、制御不能となることを防止することができる。

本発明のインクジェットヘッドは、上記の液体噴出装置にインクが供給され、前記圧電アクチュエータの駆動によって、前記液滴噴出孔からインク滴の噴出が可能であることを特徴とするものであり、インク滴吐出の性能が低下することや、制御不能となることを抑制することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、インクジェットヘッドに好適に用いられる本発明の液体噴出装置の一例を示す部分断面図である。

この液体噴出装置は、流路部材１１上に、圧電アクチュエータ１を設けてなり、該圧電アクチュエータ１は、振動板２の内部に電界を遮断する低誘電率層３を形成し、振動板２の表面に、共通電極４、圧電体層５、個別電極６を順次積層して形成されている。これは、図２において共通電極４、圧電体層５、個別電極６をそれぞれ１層ずつ形成したものであり、図２の振動板上の積層体の最小単位に相当するものである。

圧電アクチュエータ１は、個別電極６と、共通電極４の個別電極６に対向する部位、及びこれらに挟持される圧電体層５の部位とで変位素子７が形成され、個別電極６と共通電極４との間に駆動電圧を印加することによって、厚み横変形に基づいて変位領域７ａが流路部材１１側にユニモルフ変形する。

流路部材１１は、液体加圧室１４及びこれに連通する液体噴出孔１８を設けており、液体加圧室１４は圧電素子７の変位領域７ａと位置を揃えて、一体として設けており、変位素子７の変位によって液体加圧室１４の体積が減少し、液体を液体噴出孔１８から液滴として噴出させることができる。

なお、個別電極６及び共通電極４には、図示してないが、外部接続端子に電気的に接続し、ＦＰＣ等のフレキシブル配線回路を介して、それぞれ駆動電圧信号を供給するドライブ回路（不図示）とグランド電位に接続されている。また、個別電極上の圧電体層は省略し、個別電極を露出させることも可能である。

圧電体層５は、圧電材料を用いるが、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料を好適に用いることができる。例えば、圧電体層１が、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｙｂ及びＴｅのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体を得ることができ、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３及びＰｂ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）Ｏ_３とを固溶してなるものを例示できる。

特に、Ａサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有することが望ましい。アルカリ土類元素としては特にＢａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましく、Ｂａを０．０２〜０．０８モル、Ｓｒを０．０２〜０．１２モル含むことが特に正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るのに有利である。

具体例として、Ｐｂ_{１−ｘ―ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）_ａ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）_ｂＺｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｔｉ_ｃＯ_３＋αｗｔ％Ｐｂ_１／２ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０．０５≦ａ≦０．１、０．００２≦ｂ≦０．０１、０．４４≦ｃ≦０．５０、α＝０．１〜１．０）で表されものを例示できる。

振動板２としては、所望の絶縁体や導電体を用いることができるが、圧電体層５と略同一材料を用いることが、同時焼成で作製が容易であり、圧電体層５との間で発生する残留応力を小さくする点で好ましい。

共通電極４としては銀、白金、銅、パラジウム又はこれらを主成分とする合金等からなり、個別電極６としては金、銀、アルミニウム、パラジウム、ニッケル、クロム等からなることが良好な導電性を具備する点で好ましい。

本発明のアクチュエータは、流路部材１１が導電性材料からなり、振動板２の内部に、振動板２よりも誘電率の低い材料からなる低誘電率層３を設けることが重要である。従来の構造では、内部電極４に電圧が印加されると導電性を有する流路部材１１との間に電位差が生じるため、圧電材料からなる振動板２に不要な振動を生じる。また、センサ用電極やヒータ電極等の目的で、共通電極４以外の電極が内部電極（不図示）として、共通電極４よりも流路部材１１側に設けられ、内部電極に電圧が印加される場合にも不要な振動が発生する。

また、低誘電率層３が振動板２の内部に形成するのは、低誘電率層３を構成する材料が液体加圧室の液体と接して腐蝕されやすい材料であっても使用可能であり、振動板２との間に発する残留応力を軽減するために選択する材料範囲を広げることができるという効果も有している。

さらに、内部電極がグランドに接地されている場合でも、圧電素子７を駆動する電圧信号が繰り返し印加されると、圧電体層５への電荷の充放電によってグランドに接地している共通電極４に電流が流れ、流路部材１１との間に電位差が生じるため、共通電極４と同電位となっている内部電極と流路部材１１との間にも電位差が生じ、この電位差に伴って振動板２が分極される、或いは振動板が振動するという現象が観察されたが、低誘電率層３を設けることによって、共通電極４や内部電極と流路部材１１との間に電位差が生じても、振動板２に電界が作用し難くなり、振動板２の分極や不要振動を抑制することができる。

このように、圧電素子７を駆動させても、従来の圧電アクチュエータのように、流路部材１１と共通電極４の間の振動板２に電界が作用して、振動板２が分極されて収縮変形することが無くなり、圧電素子の屈曲変位が低下しなって、変位ばらつきを抑制することができる。

低誘電率層３の比誘電率は、振動板８と流路部材１１の間に設けられた低誘電率層７で効果的に電界を遮断するためには、５０以下、特に４０以下、更には３０以下の材料を用いることが好ましい。具体的な材料としては、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化珪素等のセラミックス、ガラス又はガラスセラミックス、圧電セラミックスとガラスセラミックスやセラミックスとの混合物等を用いることができる。
特に、同時焼成を行うため、ガラスセラミックスを用いることが好ましい。

ガラスセラミックスは公知のものを使用でき、例えばガラス成分として硼珪酸ガラス等を用いることができ、フィラー成分としては、アルミナ、シリカ（クォーツ、クリストバライト）、フォルステライト、コージェライト、ムライト、ジルコニア、エンスタタイト、スピネル、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、チタン酸塩の少なくとも１種を２０〜９０重量％の割合で含有するものを用いることができる。

振動板２や流路部材１１の表面には、低誘電率層３の厚みを０．１〜４μｍ、特に０．２〜３μｍ、更には０．３〜２μｍ、より好適には０．５〜１μｍとすることが好ましい。これにより、低誘電率層２によって不要振動を抑制するに十分な厚みを有し、圧電素子７間における変位ばらつきを低減することができる。

本発明のインクジェットヘッドは、低誘電率層が設けられた圧電アクチュエータが流路部材に一体的に設けられた本発明の液体噴出装置にインクが供給され、圧電アクチュエータの変位によって、液体加圧室に充填されたインクを加圧し、液体加圧室に連通する液滴噴出孔からインク滴を噴出させるものであり、このような構成を具備することによって、インクジェットヘッドのインク滴吐出性能が特定のノズルにおいて低下したり、制御不能
となることを抑制することができる。

なお、本発明は、流路部材が導電性材料からなり、最も流路部材に近い内部電極と流路部材との間に圧電材料が存在する場合であれば、上記の実施様態に係る構成や変位モードによらず適応できる。例えば、厚み縦変形モードであっても、厚み滑り変形モードであっても、厚み横変形モードであっても適応することができ、また、ユニモルフであっても、バイモルフであっても適応できる。さらに、内部電極及び個別電極の層数も任意に設定できることは言うまでもなく、例えば圧電振動板の上に内部電極（グランド電位）、圧電体層、個別電極がこの順に積層された圧電アクチュエータにも適応できる。

また、振動板２の流路部材側表面に導電性膜が形成されている場合、該導電性膜も振動板２の一部と考えることができる。さらに、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改良や変更を行うことができるのも言うまでもない。

次に、図１に示す圧電アクチュエータとこれを用いたインクジェットヘッドの製造方法について説明する。

まず、引き上げ法やドクターブレード法によって、圧電体層及び振動板となる厚み１０〜６０μｍ程度の圧電セラミックのグリーンシートを、それぞれ離型剤を塗布したポリエチレンテレフタレート（以下ＰＥＴと称する）フィルムや紙等の支持体上に成形し、上記グリーンシートと共に所定の寸法に裁断し、次に、裁断されたグリーンシートの半数には共通電極となる金属ペーストをスクリーン印刷法によって形成し、不要部を金型による打ち抜き加工によって開口する。なお、金属ペーストとしては、銀、パラジウム、白金、銅の微粉末又はこれらの微粉末を混ぜたものを樹脂及び溶媒と共に混合したものを用いることができる。

また、圧電セラミックグリーンシートの表面に、圧電セラミックスの焼成温度と同じ９００〜１１００℃の温度で焼成可能な低誘電率層となるガラスセラミックスを主体とするペーストを塗布する。この低誘電率層となる塗布層を有するグリーンシートと他のグリーンシートを積層して振動板を作製する。低誘電率層は圧電セラミックスとの同時焼成が可能なものが好ましい。

次いで、上記作製した振動板の上に、裁断された上記グリーンシートの残りの半数と、共通電極となる金属ペースト塗布層を形成したグリーンシートとを積層して、共通電極と圧電体層とを形成した積層体を作製する。

なお、上記グリーンシートを積層するにあたっては、６０〜１００℃の温度で３〜１０ＭＰａの圧力で熱圧着するようにすれば良い。

次に、上記積層体を３００〜６００℃の温度で脱脂した後、９００〜１１００℃の温度で焼成することにより焼結一体化する。

しかる後、上記積層体の表面に所定のパターンで金属ペースト膜をスクリーン印刷法にて形成し、これを６００〜８００℃の温度で焼き付けて厚み０．１〜２μｍの個別電極を形成する。

なお、各個別電極、共通電極等に電圧を印加するための、外部配線回路（不図示）を接続するのは言うまでもない。

以上、本発明の実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態だけに限らず、
例えば電極や圧電体層を複数設けてなる積層体としてインクジェットヘッドを構成する等、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更や改良したものにも適用できることは言うまでもない。

ここで、図１に示す本発明の液体噴出装置とこれを用いたインクジェットヘッドを製作した。

まず、粒径が０．５〜３．０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミック粉体に対し、アクリル系樹脂エマルジョン、純水、平均粒径が１０ｍｍのナイロンボールを添加してボールミルで３０時間混合し、得られたスラリーを用いて引き上げ法により厚み３０μｍのＰＥＴフィルム上に、圧電体層及び振動板となる厚み２０μｍのグリーンシートを成形した。

次に、得られたグリーンシートをＰＥＴフィルムと共に５０×５０ｍｍ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は共通電極２となる金属ペーストを、スクリーン印刷法によって印刷し、残りの１枚のグリーンシートには金属ペーストを印刷しないで、各グリーンシート及び金属ペーストを防爆型の乾燥機を用いて５０℃で２０分間乾燥させた。なお、金属ペーストには、平均粒径が２〜４μｍの銀粉末とパラジウム粉末を７対３の比率で混合したものを用いた。

さらに、他のグリーンシートには、硼珪酸ガラスにアルミナ及びシリカを合計で５０％含有するガラスセラミックスをペースト状にし、これを塗布した。このように作製したペーストの塗布されたグリーンシートの上に、塗布されてない（未塗布）２枚のグリーンシートを順次積層した。積層に際しては、位置を揃えて重ね合せた後、６０℃の温度で５ＭＰａの圧力を加えながら６０秒間保持することにより熱圧着して振動板となる成形体を作製した。なお、ガラスセラミックスの比誘電率は５であった。

次いで、得られた振動板となる成形体の表面に、金属ペーストを印刷したグリーンシートを載置し、さらに、他の未塗布グリーンシートを重ね合せた後、６０℃の温度で５ＭＰａの圧力を加えながら６０秒間保持することにより熱圧着してグリーンシートの積層体を形成した。しかる後、予め形成したスルーホール内に金属ペーストを充填し、乾燥機中で１００〜３００℃まで毎時８℃の昇温レートで２５時間で加熱して脱脂した後，室温まで冷却し、さらに焼成炉でピーク温度１１００℃で２時間保持して焼成し、積層圧電体を得た。

次に、上記積層圧電体の表面に、個別電極を金属ペーストで印刷し、ピーク温度８００℃の連続炉を３０分で通過させて焼き付けした後、ランド部４を所定位置に印刷してピーク温度６００℃の連続炉を３０分で通過させて形成し、さらにダイシングソーで外辺を切断し、外形３３ｍｍ×６ｍｍの圧電アクチュエータ９を作製した。

なお、圧電アクチュエータには２５４μｍピッチで１列あたり９０個の個別電極５を長手方向に平行に２列にわたって形成した。

一方、長さ２ｍｍ、幅０．１８ｍｍの液体加圧室を、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のステンレス箔と、該液体加圧室に連通する流路及び液体噴出口をそれぞれ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で貼り合わせることにより流路部材を形成した。

次に、圧電アクチュエータと、流路部材とを接着剤によって接合し、個別電極と共通電極に外部回路と連結する配線基板を接続して本発明のインクジェットヘッドを得た。

得られた、インクジェットヘッドにインクを導入し、外部回路から配線基板を介して駆動信号電圧を印加することにより全圧電素子を駆動してインク滴を連続吐出させて、各素子の駆動回数に対する吐出特性の変化を測定した。

なお、上記吐出特性の測定にあたっては、信号電圧を所定の回数印加する毎に、該信号電圧に同期させて高速度カメラによってインクジェットヘッドで３０箇所のノズルでインク滴の飛翔状態を観察し、インク滴吐出速度を計測し平均を算出した。その結果、インク吐出速度のばらつきは約４％であった。

（比較例）
低誘電率層を形成しない以外は、実施例１と同様にしてインクジェットヘッドを作製した。また、実施例１と同様にして評価した。その結果、約２０％のばらつきが生じていた。

実施例１と同様にして、インクジェットヘッドを作製した。なお、低誘電率層の比誘電率（ε）を変化させるために、ガラスセラミックスに圧電セラミックスを添加して誘電率を調整した。実施例１と同様に吐出速度を評価した。

その結果、インク吐出速度のばらつきはε＝１０で約６％、ε＝３０で約７％、ε＝５０で約９％、ε＝６０で約１２％であった。

実施例１と同様にして、インクジェットヘッドを作製した。なお、低誘電率層の厚みを０．０８，０．１，２，４，５μｍとしたものを作製した。実施例１と同様に吐出速度を評価した。その結果、インク吐出速度のばらつきは、厚みが０．０８μｍで約１４％、０．１μｍで約８％、０．２μｍで約７％、０．３μｍで約６％、０．５μｍ及び１μｍで約５％、２μｍで約６％、３μｍで約７％、４μｍで約９％であった。

本発明の液体噴出装置の構造を示す部分断面図である。従来の液体噴出装置の構造を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

１・・・圧電アクチュエータ
２・・・振動板
３・・・低誘電率層
４・・・共通電極
５・・・圧電体層
６・・・個別電極
７・・・変位素子
７ａ・・・変位領域
１１・・・流路部材
１４・・・液体加圧室
１８・・・低液体噴出孔

Claims

圧電体の内部に内部電極を具備する圧電アクチュエータを、液滴噴出孔に連通する複数の液体加圧室が設けられた流路部材上に設けている液体噴出装置において、前記流路部材が導電性材料からなり、前記圧電アクチュエータの前記流路部材に接合されている部位である被拘束部の前記圧電体の内部の、前記流路部材に最も近い前記内部電極と前記流路部材との間に前記圧電体よりも誘電率が低く、絶縁性の低誘電率層が設けられていることを特徴とする液体噴出装置。
前記低誘電率層が、前記内部電極のある部位の前記圧電体に設けられていることを特徴とする請求項１記載の液体噴出装置。
圧電体からなる振動板の上に、一対の電極で圧電体層を挟持してなる変位素子が複数設けられている圧電アクチュエータを、液滴噴出孔に連通する複数の液体加圧室が設けられた流路部材上に設けている液体噴出装置において、前記流路部材が導電性材料からなり、前記振動板の前記流路部材に接合されている部位である被拘束部の内部に該振動板よりも誘電率が低く、絶縁性の低誘電率層が設けられていることを特徴とする液体噴出装置。
前記低誘電率層が、前記一対の電極のある部位の前記振動板に設けられていることを特徴とする請求項３記載の液体噴出装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の液体噴出装置にインクが供給され、前記圧電アクチュエータの駆動によって、前記液滴噴出孔からインク滴の噴出が可能であることを特徴とするインクジェットヘッド。