JPH06238890A - 液滴噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電材料に液体流路及び圧力チャンバーとし
て作用する複数の溝及び両側面に駆動の為の電極が設け
られた圧電材料の壁で構成された圧電素子をエネルギー
変換素子として利用した液滴噴射装置に於て駆動電極の
厚みを適正値に設定することで良好な液滴噴射を実現す
ること。 【構成】 圧電材料に液体流路及び圧力チャンバーとし
て作用する複数の溝及び両側面に駆動の為の適正範囲内
の厚みで形成された電極が設けられた圧電材料の壁で構
成された圧電素子をエネルギー変換素子として利用した
液滴噴射装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液滴噴射装置の構成に
関するものであり、更に詳細には液滴噴射のためのエネ
ルギー変換素子として用いられる圧電素子に形成される
駆動電極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、エネルギー変換素子を用いた各種
の液滴噴射装置がインクジェットプリンタ等の用途に開
発され実用化されている。該液滴噴射装置に用いられる
エネルギー変換素子としては、発熱体等の電気−熱変換
素子や圧電材料等の電気−機械変換素子が利用されてい
る。一般に圧電材料を利用した液滴噴射装置は発熱体を
利用したものに比較して使用する液体に対する熱による
制約条件が少なく利用できる液体の選択範囲が広くなる
と言う利点がある。しかし半導体製造プロセスが応用で
きる電気−熱変換素子の集積度に比較して電気−機械変
換素子である圧電素子を利用したものは集積度が低く、
液滴噴射装置の小型化と言う側面で種々の問題を包含し
ている。現在実用化されている圧電体をエネルギー変換
素子として利用した液滴噴射装置では、主に圧電体の圧
電・電歪効果の内、横効果が利用された、いわゆるユニ
モルフ圧電素子やバイモルフ圧電素子を用いた液滴噴射
装置が主流である。

【０００３】エネルギー変換素子である圧電素子の高集
積化を目的とした液滴噴射装置の発明として、特開昭６
３−２４７０５１、特開昭６３−２５２７５０及び特開
平２−１５０３５５がある。

【０００４】上記特許は厚み方向に分極処理された圧電
材料に液体流路及び圧力チャンバーとして作用する複数
の溝（チャンネル）を高集積度で形成し、各溝（チャン
ネル）を分離する圧電材料の壁の側面に駆動電極を形成
することで圧電・電歪効果の内、せん断モードの変形を
生じさせ、溝（チャンネル）内に圧力変化を発生し所望
の液滴を前面に設けられたノズルプレートの各ノズルよ
り噴射させる方式の液滴噴射装置であり、その小型化を
実現したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
許で開示された構造の液滴噴射装置では、圧電材料の壁
の両側面に形成する駆動電極に関する詳細な記述が少な
く実際上、液滴噴射装置の設計に対して不明瞭な点が多
かった。従って前記方式の安定した液滴噴射特性を有す
る液滴噴射装置を実用化するに際して多大な問題点を包
含していた。本発明の目的は良好な液滴噴射を実現する
ための圧電材料の壁の両側面に形成する駆動電極に対す
る各種パラメータを明確化し、駆動電極に求められる要
求を具体化することで安定した上記構成の液滴噴射装置
を実現することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の液滴噴射装置の一形態に於ては、圧電材料の
壁の側面に形成された駆動電極の厚み（ｔ）が少なくと
も０．０４μｍ以上で形成されている。

【０００７】また本発明の他の形態に於いては、圧電材
料の壁の側面に形成された駆動電極の厚み（ｔ）と圧電
材料の壁の幅寸法（ｗ）との比（ｒ＝ｔ／ｗ）が１／１
０以下の範囲で形成されている。

【０００８】

【作用】上記の構成を有する本発明による液滴噴射装置
の駆動電極の作用について以下に説明する。まず印字パ
ターンに従って外部から入力された信号に基づき圧電材
料の壁の両側面の一部に形成された駆動電極を通して電
圧が印加される。この時一つの壁に着目すると片側が正
電極として作用し、もう一つの側は負電極として作用す
ることになる。本発明の液滴噴射装置では圧電材料の壁
の両側面の一部に形成された駆動電極の厚みが適正値に
設定されているので、外部信号に対応した駆動信号に対
して好適な時間内で瞬時に圧電材料の壁に変形を生じさ
せることが可能となり安定した液滴噴射を実現できる。
また同様に駆動電極の厚みを適正化することで両側面に
駆動電極の形成された圧電材料の壁の変形効率を高め、
好適な液滴噴射効率を実現できる。更に駆動電極の厚み
の適正範囲内で電極材料及び厚みの最適選定を行うこと
で駆動電極が形成された圧電材料の壁のコンプライアン
スを噴射する液体のコンプライアンスとマッチングさせ
ることで効率の良い安定した液滴噴射が実現できる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を図面を参
照して説明する。図１に本発明の液滴噴射装置の概略構
成図を示す。前記液滴噴射装置はインクの流路及びイン
ク液滴噴射のための圧力チャンバーとして作用する複数
の溝２２と、両側面の一部に電圧を印加するための駆動
電極２５が形成された複数の圧電材料の壁２１で構成さ
れるアクチュエータ２及び該アクチュエータ２に接着さ
れたインク導入孔１６、インクマニホールド１８を有す
るカバープレート１０及び前記アクチュエータ２に接着
されたインク滴噴射のための複数のノズル１２が形成さ
れたノズルプレート１４から構成される。ここで、駆動
電極２５はＡｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等の各種金属、及び
Ａｕ、Ｐｔ等の貴金属または各種金属の合金からなり、
電極層構成としては、単独層または複数の層の積層物で
構成される。

【００１０】次に電圧印加時の挙動を説明するために駆
動電圧を印加しない時の圧電材料の壁２１と溝２２の状
態の概略図を図２に、駆動電圧を印加した時の圧電材料
の壁２１と溝２２の状態の概略図を図３に示す。図２で
示すように電圧を印加していない時は圧電材料の壁２１
ａ〜ｅは変形することはなく溝２２ａ〜ｄは全て同じ容
積を有している。次に駆動電極２５ｂ，ｃを正極、２５
ａ，ｄを負極として電圧を印加した場合図３で示したよ
うに壁２１ｂ，ｃが変形し溝２２ｂの容積が増加すると
共に溝２２ａ，ｃの容積が減少する。図３で示した状態
から印加された電圧を取り去ることで壁２１ｂ，ｃは図
２で示した状態に戻り、その時溝２２ｂを満たす液体に
圧力を作用させ液滴を噴射する。この時安定した液滴噴
射を実現するためには壁２１の変形に要する時間が重要
となり数μｓｅｃ以下の短時間の内に変形することが必
要とされる。

【００１１】さて、駆動電極の厚みの適正範囲を把握す
るために以下のような実験を行った。図４に圧電材料の
壁２１及び駆動電極２５の斜視図を示す。図４におい
て、圧電材料の壁２１の幅寸法をｗ、高さをｈ、長さを
Ｌ、駆動電極２５の厚みをｔ、壁高さ方向の電極深さを
ｄで表すこととする。

【００１２】まず、駆動電極厚みの許容できる最小値の
把握実験の為にｗ＝０．１ｍｍ、ｈ＝０．５ｍｍ、Ｌ＝
８ｍｍの圧電セラミックス材料の壁を準備した。該圧電
セラミックス材料の壁の側面に厚さｔ＝０．０２、０．
０４、０．０８、０．１６、０．３２、０．６４μｍの
ニッケル電極をスパッタ法、真空蒸着法等の乾式法にて
形成し各々の電極の比抵抗値を測定した。その結果を図
５に示す。図５から明らかなように駆動電極の厚みｔが
０．０４μｍ以下になると多大な比抵抗の増加が見られ
る。ニッケル電極の膜質そのものが低下したとは考えに
くいので、この結果は圧電セラミックスの表面に形成さ
れた電極膜がその電気的連続性を失うことが起因してい
ると考えられる。

【００１３】その概念図を図６に示す。一般に本発明の
液滴噴射装置のアクチュエータ材料としてはＰＺＴ系圧
電セラミックス材料が利用される。圧電セラミックス材
料は通常、多結晶の焼結材料であって、１〜５μｍ程度
の平均粒径を有する結晶粒３１で構成され、且つ数％の
同程度サイズの空孔をもっている。つまり前記駆動電極
が形成される表面は２μｍ程度の凹凸を有する事にな
る。このような凹凸を有する表面に形成された電極２５
は、図６に示すように電極としての電気的不連続性を少
なからずもつこととなる。形成される電極２５の厚みが
薄くなるとその不連続性が増加し、実験結果では０．０
４μｍ程度以下の厚みになると結果として見かけの比抵
抗が増大するものと考えられる。従って駆動電極厚みの
許容できる最小値は０．０４μｍ程度であると考えられ
る。尚、駆動電極の材料をアルミニウムとした場合の実
験を行ったが、上記ニッケルの場合と同様の結果が得ら
れた。

【００１４】他方、駆動時の圧電材料の壁の変形に要す
る時間の事を考えると圧電材料は回路構成上、電気的に
はコンデンサーと考えられる。壁の変形時間に関する電
気的な時定数τは圧電材料の静電容量をＣ、駆動電極の
抵抗をＲとするとτ＝Ｃ・Ｒで表される。駆動電極の厚
みが薄くなると実験結果から明らかなように見かけ上の
比抵抗が増大するだけでなく、電極断面積ｔ×ｄが減少
し抵抗値Ｒ自体が増大してしまい、液滴噴射に必要な許
容時定数に対するマージンが減少し駆動回路設計に対し
大きな負荷を与えることになり好ましくない。

【００１５】従って、本実施例の液滴噴射装置において
は、駆動電極の厚みを０．０４μｍ以上となるよう構成
した。これにより、安定した液滴噴射が実現可能な液滴
噴射装置を得ることが出来た。

【００１６】次に、駆動電極厚みの許容できる最大値の
把握実験の為にｗ＝０．０５ｍｍ、ｈ＝０．２５ｍｍ、
Ｌ＝８ｍｍの圧電セラミックス材料の壁を準備した。該
圧電セラミックス材料の壁の側面に厚さｔ＝０．５、
１、２、５、１０μｍのニッケル電極をスパッタ法、真
空蒸着法等の乾式法にて形成し電極厚みと圧電材料の壁
幅寸法の比ｔ／ｗがそれぞれ１／１００、１／５０、１
／２５、１／１０、１／５になるようなサンプルを作製
した。このサンプルに前記カバープレートを接着した
後、５０Ｖのパルス電圧を印加し、壁の変形状態をレー
ザ変位計を用いて測定した。その測定結果を隣接する溝
容積の容積変化で整理し、電極厚み０．５μｍ（ｔ／ｗ
＝１／１００）の場合の容積変化を１００％としたとき
の各電極厚みの場合のデータをプロットした結果を図７
に示す。

【００１７】図７から明らかなように電極厚みと圧電材
料の壁幅寸法の比ｔ／ｗが１／５のサンプルでは変形効
率が低下してしまう。これは圧電材料とヤング率の異な
った電極材料を駆動電極層として形成した場合電極の厚
みが薄い場合は圧電材料の壁の変形に余り影響しない
が、厚みが厚くなると変形に影響を及ぼす様になるため
である。また電極層が厚くなると当然、膜内及び膜と圧
電材料の界面の残留応力が増大し、膜強度及び密着強度
が弱くなると言う問題も生じる。従って駆動電極厚みの
許容できる最大値は電極厚みと圧電材料の壁幅寸法の比
ｒ＝ｔ／ｗで１／１０以下であることが望ましい。

【００１８】尚、駆動電極の材料をアルミニウムとした
場合の実験を行ったが、上記ニッケルの場合と同様の傾
向を示すことが確認されている。

【００１９】従って、本実施例の液滴噴射装置において
は、駆動電極の厚みと圧電材料の壁幅寸法との比が１：
１０以上となるよう構成した。これにより、安定した液
滴噴射が実現可能な液滴噴射装置を得ることが出来た。

【００２０】次に、駆動電極として形成される金属膜の
相対密度に対する実験を行った。理論的に相対密度が低
下すると、空孔が増加し見かけの比抵抗が上昇すること
は明かである。しかし、抵抗値に関しては、駆動電極の
厚みを厚くすることで許容抵抗値を満足させることが可
能であるので、大きな問題とはならない。ここで問題と
なるのは、相対密度低下に基づく駆動電極膜の耐食性劣
化の問題である。本発明の様な液滴噴射装置では、駆動
電極２５は溝２２に充填された液体（主としてインク）
に曝されることになる。従っていわゆる電解腐食現象が
発生する。この場合、相対密度が低下すると電極層に開
空孔（連結空孔）が増大し、液体に接触する表面積が増
大し耐食性が劣化することが考えられる。また実際の液
的噴射装置では耐食性の改善として保護膜を駆動電極の
表面に形成することが考えられるが、相対密度の低い電
極層の上に保護膜を形成しても十分なカバーレッジが実
現できないとと言う問題が予想される。

【００２１】図８に、相対密度をパラメータとした約１
μｍの厚みのニッケル電極を形成したサンプルの食塩水
に対する耐食性、及び同様のサンプルの電極上に二酸化
珪素を約１μｍ厚みで保護膜として形成したサンプルの
食塩水に対する耐食性を、相対密度９０％のサンプルの
耐食性を１００％とし、各相対密度での耐食性を示し
た。耐食性の評価項目として電極層のみのサンプルでは
コロージョンレートを測定し、保護膜を形成したサンプ
ルでは単位面積当りのディフェクトの発生個数を計測し
た。図８から明らかなように保護膜の有無に係わらず相
対密度６５％の電極膜では耐食性が急激に劣化すること
が実験結果から判った。従って、駆動電極膜を形成する
金属材料の必要最低限の相対密度は７０％であることが
判った。

【００２２】従って、本実施例の液滴噴射装置において
は、駆動電極膜を形成する金属材料の相対密度が７０％
以上となるよう構成した。これにより、安定した液滴噴
射が実現可能な液滴噴射装置を得ることが出来た。

【００２３】次に駆動電極を形成する金属材料の純度に
関する実験を行った。純度が低下すると電極膜中に不純
物としてのイオンが増加する。本発明の液滴噴射装置で
は圧電材料の壁を短時間の内に変形させることが必要条
件であり、この場合駆動電極には大きな瞬時電流が流れ
る事となる。駆動電極に厚み分布が存在したり、電気的
不連続性があると、瞬時電流が流れた時に更に電流集中
がおこり不純物イオンの移動及びマイグレーションが発
生する危険性がある。また時として電極膜の部分的断線
が発生する可能性もある。

【００２４】実験としては圧電セラミックス材料の表面
に厚み０．０４μｍのアルミニウムを電極として形成し
た。この時アルミニウムの純度として９９．９９９、９
９．９９、９９．９、９９、９５％のサンプルを作製し
実験を行った。実験条件は１Ａの電流を３０ｍｉｎ通電
し、その前後で電極表面の変化を顕微鏡を用いて観察し
た。純度９９％以上のサンプルは通電前後で殆ど変化が
観察されなかったが、純度９５％のものでは電極膜の不
連続点の増大が観察された。通電前後の電気抵抗の測定
でも９９％以上の純度のものは抵抗値に殆ど変化がなか
ったが９５％の純度のものでは通電前後で約１５％の抵
抗値の上昇が計測された。この実験結果から明らかなよ
うに本発明の液滴噴射装置に利用される駆動電極の金属
材料の純度は少なくとも９９％以上であることが好まし
いと考えられる。尚ニッケル等他の金属でも９９％以下
の純度の場合、程度の差は見られるものの、上記と同様
の変化が観察された。

【００２５】従って、本実施例の液滴噴射装置において
は、駆動電極に純度９９％以上の金属材料を用いて構成
した。これにより、安定した液滴噴射が実現可能な液滴
噴射装置を得ることが出来た。

【００２６】次に、形成される駆動電極層の厚みの分布
の平均膜厚に対して許容値範囲に関する実験を行った。
本発明の液滴噴射装置では、圧電材料の壁を短時間の内
に変形させることが必要条件であり、この場合駆動電極
には大きな瞬時電流が流れる事となる。駆動電極に厚み
分布が存在したり、電気的不連続性があると、瞬時電流
が流れた時に更に電流集中がおこり、電極材料中の不純
物イオンの移動及びマイグレーションが発生する危険性
がある。また、時として電極膜の部分的断線が発生する
可能性もある。

【００２７】実験としては圧電セラミックス材料の表面
に平均厚み０．２μｍのアルミニウムを電極として形成
し、膜厚分布として±２５％、±５０％、±７０％のサ
ンプルを作製した。これらのサンプルを用いて行った実
験では１Ａの電流を３０ｍｉｎ通電し、その前後で電極
表面の変化を顕微鏡を用いて観察した。膜厚分布±５０
％以下のものは通電前後で殆ど変化が観察されなかった
が、膜厚分布±７０％のサンプルでは電極膜の不連続点
の増大が観察された。また通電前後の電気抵抗の測定で
も膜厚分布±５０％以下のものは抵抗値に殆ど変化がな
かったが、膜厚分布±７０％のものでは通電前後で約１
０％の抵抗値の上昇が計測された。

【００２８】この結果を説明する要因としては元来、電
極形成に際して厚み分布が±７０％生じると言うことは
電極形成の手法・条件に難点があり、膜厚の厚い部分と
薄い部分とでは膜質そのものに差異が生じるのだと考え
られる。従って平均膜厚に対して±５０％以上の膜厚分
布が生じるような電極形成手法・条件を用いて電極形成
を行うことは、本発明の液滴噴射装置の駆動電極の形成
法としては利用できないと考えられる。つまり電極層の
平均膜厚に対する膜厚分布は少なくとも±５０％以下で
あることが望ましい。但し電極を形成する方法によって
は形成された電極のエッジ部の膜厚が連続的に薄くなっ
ていく場合が生じるが、薄くなった部分は圧電材料の壁
の変形に対しては電極として有効には作用しないと考え
られるので、上記限定範囲に含まれる必要はないと思わ
れる。

【００２９】従って、本実施例の液滴噴射装置において
は、電極層の平均膜厚に対する膜厚分布が±５０％以下
となるよう構成した。これにより、安定した液滴噴射が
実現可能な液滴噴射装置を得ることが出来た。

【００３０】次に形成される電極の圧電材料の壁の高さ
方向の電極深さの設定値に対する許容幅の範囲を把握す
る実験を行った。図９〜１２に圧電材料の壁２１の側面
に形成された駆動電極２５の電極深さの状態を示す。図
９に示したように圧電材料の壁２１の高さｈに対して電
極深さｄの設定値がｄ＝０．５・ｈの場合を考えると、
電極深さのばらつきは図１０〜１２で示したように３つ
の場合が考えられる。図１０は設定より電極深さｄが浅
くなった場合（ｄ＜０．５・ｈ）、図１１は設定値より
電極深さｄが深くなった場合（ｄ＞０．５・ｈ）、図１
２は左右の電極深さが異なった場合を各々表す。

【００３１】実験サンプルとしてはｗ＝０．１ｍｍ、ｈ
＝０．５ｍｍ、Ｌ＝８ｍｍの圧電セラミックス材料の壁
を準備した。該圧電セラミックス材料の壁の側面に厚さ
ｔ＝０．６４μｍのアルミニウム電極をスパッタ法、真
空蒸着法等の乾式法にて形成することで電極深さｄ＝２
５０μｍのサンプルを基準にｄ＝１５０、１７５、２０
０、２２５、２７５、３００、３２５、３５０μｍのサ
ンプル（図１０、１１対応）およびｄ＝（２２５，２７
５）、（２００，３００）、（１７５，３２５）、（１
５０、３５０）のサンプル（図１２対応）を作製した。
図１３に上記サンプルに駆動電圧を印加しそのときの最
大変位及び溝容積の容積変化を測定しｄ＝２５０のサン
プルのデータを１００とした時の各電極深さのサンプル
のデータを％で表した。最大変位及び溝容積の容積変化
は、図１４に示すようにカバープレート１０を接着した
上記サンプルを斜め切断し、５０Ｖの駆動電圧を印加
し、壁を変形させその変位量をレーザ変位計を用いて、
壁高さ方向に１０μｍ毎にステップ的に走査させながら
測定した。得られたデータの変位量の最大値を最大変位
とし、容積変化は得られた変位分布の積分値とした。

【００３２】図１３から明らかなように最大変位に対す
る電極深さの影響は容積変化に対する影響に較べて小さ
い傾向がある。実験結果から電極深さｄが設定値に対し
て±３０％であれば最大変位及び容積変化は変化率は約
５％程度の範囲で収まる。本発明の液滴噴射装置内の液
滴噴射安定性、及び液滴噴射装置間の液滴噴射安定性を
考えると安定した圧力の発生が必要であり、その実現に
は圧電材料の壁の最大変位及び容積変化は５％以内の範
囲で実現されることが望ましく、そのためには電極深さ
の精度は設定値に対して±３０％の範囲であることが必
要であると考えられる。

【００３３】従って、本実施例の液滴噴射装置において
は、電極深さの精度が設定値に対して±３０％の範囲と
なるよう構成した。これにより、安定した液滴噴射が実
現可能な液滴噴射装置を得ることが出来た。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の液滴噴射装置は圧電材料の壁の側面に形成された
駆動電極の厚みが適正範囲に形成されているので、駆動
電圧印加により圧電材料の壁の効率のよい安定した変形
が瞬時に実現でき、安定した液滴噴射が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の液滴噴射装置の概略構成図
である。

【図２】本実施例の液滴噴射装置の壁、溝の状態を表す
断面図である。

【図３】本実施例の液滴噴射装置の電圧印加時の壁、溝
の状態を表す断面図である。

【図４】本実施例の液滴噴射装置の圧電材料の壁、駆動
電極の斜視図である。

【図５】駆動電極厚みと比抵抗の関係図である。

【図６】本実施例の液滴噴射装置の圧電材料の壁に形成
された電極の概念図である。

【図７】駆動電極厚みと変形効率の関係図である。

【図８】駆動電極相対密度と耐食性の関係図である。

【図９】本実施例の液滴噴射装置の圧電材料の壁の両側
面に形成された駆動電極を示す図である。

【図１０】本実施例の液滴噴射装置の圧電材料の壁の両
側面に形成された駆動電極を示す図である。

【図１１】本実施例の液滴噴射装置の圧電材料の壁の両
側面に形成された駆動電極を示す図である。

【図１２】本実施例の液滴噴射装置の圧電材料の壁の両
側面に形成された駆動電極を示す図である。

【図１３】駆動電極深さと最大変位量及び容積変化の関
係図である。

【図１４】圧電材料の壁の変位量測定方法の概略図であ
る。

【符号の説明】

２ 圧電素子（アクチュエータ） ２１ 圧電材料の壁 ２２ 溝 ２５ 駆動電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液滴噴射のためのエネルギー発生体とし
   て電気−機械変換素子である圧電素子を用いた液滴噴射
   装置であって、該圧電素子が、圧電材料に液体流路及び
   圧力チャンバーとして作用する複数の溝と、両側面に駆
   動電極が設けられた圧電材料の壁とで構成された液滴噴
   射装置に於て、 該圧電材料の壁の側面に形成された駆動電極の厚み
   （ｔ）が少なくとも０．０４μｍ以上であることを特徴
   とする液滴噴射装置。
2. 【請求項２】 液滴噴射のためのエネルギー発生体とし
   て電気−機械変換素子である圧電素子を用いた液滴噴射
   装置であって、該圧電素子が、圧電材料に液体流路及び
   圧力チャンバーとして作用する複数の溝と、両側面に駆
   動電極が設けられた圧電材料の壁とで構成された液滴噴
   射装置に於て、 該圧電材料の壁の側面に形成された駆動電極の厚み
   （ｔ）と前記圧電材料の壁の幅寸法（ｗ）との比（ｒ＝
   ｔ／ｗ）が１／１０以下の範囲であることを特徴とする
   液滴噴射装置。