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JP5043336B2 - Inkjet printer head - Google Patents
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

本発明は、圧電アクチュエータを備えたインクジェットプリンタヘッドに関するものである。 The present invention relates to an inkjet printer head provided with a piezoelectric actuator .

インクジェットプリンタのヘッド等の駆動源として、圧電セラミックの電歪特性を利用した圧電アクチュエータが用いられる。また、圧電アクチュエータの好適な例としては、厚み方向に電圧が印加された際に、前記厚み方向と直交する面方向に伸縮する横振動モードの圧電セラミック層を含む平板状のものが挙げられる。
前記平板状の圧電アクチュエータは、通常、圧電セラミック層の両面に、前記圧電セラミック層の厚み方向に電圧を印加して面方向に伸縮させるための一対の電極層を積層すると共に、一方の電極層の外側面に、圧電セラミック層の面方向の伸縮を、その片面側で規制することで、圧電アクチュエータを厚み方向に撓み変形させるための振動板を積層するか、または、一方の電極層を振動板と一体化することで構成される。
A piezoelectric actuator using the electrostrictive characteristics of a piezoelectric ceramic is used as a drive source for an inkjet printer head or the like. Moreover, as a suitable example of a piezoelectric actuator, when a voltage is applied in the thickness direction, a plate-shaped one including a transverse vibration mode piezoelectric ceramic layer that expands and contracts in a plane direction orthogonal to the thickness direction can be cited.
The plate-like piezoelectric actuator is usually formed by laminating a pair of electrode layers for applying a voltage in the thickness direction of the piezoelectric ceramic layer and expanding and contracting in the surface direction on both surfaces of the piezoelectric ceramic layer. On the outer surface of the piezoelectric ceramic layer, a diaphragm for bending and deforming the piezoelectric actuator in the thickness direction is laminated by restricting expansion and contraction in the surface direction of the piezoelectric ceramic layer, or one electrode layer is vibrated. It is configured by integrating with a plate.

前記積層構造を有する平板状の圧電アクチュエータは、圧電セラミック層を厚み方向に分極させた状態で使用され、前記圧電セラミック層に、一対の電極層を介して、前記分極方向(「正分極方向」とする)と同方向(「順方向」とする)の電圧を印加すると、圧電セラミック層が、面方向に収縮する。しかし、圧電セラミック層の片面には、前記振動板(または振動板を兼ねる電極層)が固定されて、面方向の伸縮が規制されていることから、圧電アクチュエータは、振動板を積層した面を厚み方向に突出させるように撓み変形する。   The plate-like piezoelectric actuator having the laminated structure is used in a state in which a piezoelectric ceramic layer is polarized in a thickness direction, and the polarization direction (“positive polarization direction”) is connected to the piezoelectric ceramic layer via a pair of electrode layers. When the voltage is applied in the same direction as that (referred to as “forward direction”), the piezoelectric ceramic layer contracts in the plane direction. However, since the diaphragm (or the electrode layer that also serves as the diaphragm) is fixed to one surface of the piezoelectric ceramic layer and expansion and contraction in the surface direction is restricted, the piezoelectric actuator has a surface on which the diaphragm is laminated. It bends and deforms so as to protrude in the thickness direction.

一方、前記圧電セラミック層に、一対の電極層を介して、前記正分極方向と逆方向の電圧を印加すると、圧電セラミック層が面方向に伸長することから、圧電アクチュエータは、逆に、振動板を積層した面と反対面を、厚み方向に突出させるように撓み変形する。
特許文献1には、前記圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形の変位量を、できるだけ大きくするため、圧電セラミック層に、一対の電極層を介して、前記順方向、および逆方向の電圧が交互に入れ替わる駆動電圧パルスを印加することが記載されている。
特開平11−97755号公報
On the other hand, when a voltage in the direction opposite to the positive polarization direction is applied to the piezoelectric ceramic layer via a pair of electrode layers, the piezoelectric ceramic layer expands in the plane direction. The surface opposite to the surface where the layers are stacked is bent and deformed so as to protrude in the thickness direction.
In Patent Document 1, in order to increase the displacement amount of the piezoelectric actuator in the thickness direction as much as possible, the forward and reverse voltages are alternately applied to the piezoelectric ceramic layer via a pair of electrode layers. It is described that a driving voltage pulse that is replaced with is applied.
JP-A-11-97755

また、特許文献1の発明においては、特に、圧電セラミック層が強誘電体からなるとき、前記圧電セラミック層を形成する個々の結晶粒の分極方向が、駆動時の、逆方向の電圧の印加によって反転するのを防止するため、圧電セラミック層に印加する逆方向の電圧の絶対値を、圧電セラミック層の抗電界強度Ec以下に設定している。しかし、このような設定をしたのでは、たとえ、特許文献1に記載された、圧電セラミック層に、順方向、および逆方向の電圧が交互に入れ替わる駆動電圧パルスを印加する駆動方法を採用したとしても、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形の変位量を大きくする効果に限界がある。   Further, in the invention of Patent Document 1, particularly when the piezoelectric ceramic layer is made of a ferroelectric, the polarization direction of each crystal grain forming the piezoelectric ceramic layer is determined by applying a reverse voltage during driving. In order to prevent inversion, the absolute value of the reverse voltage applied to the piezoelectric ceramic layer is set to be equal to or less than the coercive electric field strength Ec of the piezoelectric ceramic layer. However, with such a setting, it is assumed that the driving method described in Patent Document 1 is used to apply a driving voltage pulse in which the forward and reverse voltages are alternately switched to the piezoelectric ceramic layer. However, there is a limit to the effect of increasing the displacement amount of the bending deformation in the thickness direction of the piezoelectric actuator.

これに対し、前記の駆動方法において、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形の変位量を、現状よりもさらに大きくするため、圧電セラミック層に印加する逆方向の電圧の絶対値を、特許文献1の規定に反して、前記圧電セラミック層の抗電界強度Ecを超える値に設定して駆動を繰り返すと、圧電セラミック層中に、通常の、正分極方向に分極された結晶粒(「正分極結晶粒」とする)と反対方向に分極された結晶粒(「反転分極結晶粒」とする、正分極結晶粒と反対の伸縮挙動をする)が多量に発生する。そして、圧電セラミック層の全体としてみたときの、前記反転分極結晶粒の割合が大きく増加して、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に、大きく低下するという問題がある。   On the other hand, in the above driving method, the absolute value of the reverse voltage applied to the piezoelectric ceramic layer is set to Patent Document 1 in order to further increase the displacement amount of the bending deformation in the thickness direction of the piezoelectric actuator. If the driving is repeated with the value exceeding the coercive electric field strength Ec of the piezoelectric ceramic layer, the crystal grains polarized in the normal positive polarization direction (“positive polarization crystal” A large amount of crystal grains polarized in the opposite direction (referred to as “inverted polarized crystal grains” and having a stretching behavior opposite to that of positively polarized crystal grains) are generated. Then, when viewed as a whole of the piezoelectric ceramic layer, there is a problem that the ratio of the reversely polarized crystal grains is greatly increased, and the displacement amount of the piezoelectric actuator in the thickness direction is greatly decreased with time. .

本発明の目的は、耐久性に優れ、圧電セラミック層に、抗電界強度Ecを超える逆方向の電圧が印加される駆動方法によって駆動させても、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に、大きく低下するおそれのない圧電アクチュエータを備えたインクジェットプリンタヘッドを提供することにある。 The object of the present invention is excellent in durability, and even if the piezoelectric ceramic layer is driven by a driving method in which a reverse voltage exceeding the coercive electric field strength Ec is applied, the displacement amount of the bending deformation in the thickness direction changes with time. Another object of the present invention is to provide an ink jet printer head provided with a piezoelectric actuator that is not likely to be greatly reduced.

圧電セラミック層に、その抗電界強度Ecを超える逆方向の電圧を印加した際に、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に、大きく低下するのは、先に説明したように、圧電セラミック層を形成する個々の結晶粒の分極方向が、前記逆方向の電圧の印加によって反転して、圧電セラミック層の全体としてみたときの、反転分極結晶粒の割合が大きく増加するためである。   As described above, when the reverse voltage exceeding the coercive electric field strength Ec is applied to the piezoelectric ceramic layer, the displacement amount of the bending deformation of the piezoelectric actuator greatly decreases with time. As described above, the polarization direction of the individual crystal grains forming the piezoelectric ceramic layer is reversed by the application of the voltage in the reverse direction, and the ratio of the inverted polarization crystal grains when viewed as a whole of the piezoelectric ceramic layer is greatly increased. Because.

その主な原因となっているのは、発明者の検討によると、圧電セラミック材料の多結晶体からなる圧電セラミック層中に存在する、分極方向が、正分極方向に対して90°倒れ込んだ状態の結晶粒(以下「分域回転結晶粒」とする)である。前記分域回転結晶粒は、圧電アクチュエータの駆動時に、順方向または逆方向に、圧電セラミック層の抗電界強度Ecを超える電圧が印加されると、その電圧の印加方向に90°回転変位を生じて、正分極結晶粒による圧電変位と共に、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形に寄与する。   According to the inventors' investigation, the main cause is that the polarization direction existing in the piezoelectric ceramic layer made of the piezoelectric ceramic material is tilted by 90 ° with respect to the positive polarization direction. Crystal grains (hereinafter referred to as “domain rotation crystal grains”). When a voltage exceeding the coercive electric field strength Ec of the piezoelectric ceramic layer is applied in the forward direction or the reverse direction when the piezoelectric actuator is driven, the domain-rotated crystal grains cause a 90 ° rotational displacement in the voltage application direction. Thus, it contributes to the bending deformation in the thickness direction of the piezoelectric actuator together with the piezoelectric displacement caused by the positively polarized crystal grains.

しかし、分域回転結晶粒は、正分極結晶粒に比べて、抗電界強度Ecを超える逆方向の電圧が印加された際に、反転方向に分極されて、反転分極結晶粒に変化する割合が高い。そのため、圧電セラミック層中に分域回転結晶粒が多数存在するほど、圧電アクチュエータの駆動時に、前記高電圧の逆方向の電圧が繰り返し印加されることで、圧電セラミック層の全体として見たときの、反転分極結晶粒の割合が、大幅に増加しやすくなり、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に、大きく低下するのである。したがって、圧電セラミック層中に存在する分域回転結晶粒の割合を小さくすることが肝要である。   However, the domain-rotated crystal grains are polarized in the reverse direction when applied with a reverse voltage exceeding the coercive electric field strength Ec as compared to the positive-polarized crystal grains. high. Therefore, the more the domain rotating crystal grains exist in the piezoelectric ceramic layer, the more the reverse voltage of the high voltage is repeatedly applied when the piezoelectric actuator is driven, so that the piezoelectric ceramic layer as a whole is viewed. As a result, the ratio of the reversely polarized crystal grains is greatly increased, and the displacement amount of the piezoelectric actuator in the thickness direction is greatly reduced over time. Therefore, it is important to reduce the proportion of domain rotating crystal grains present in the piezoelectric ceramic layer.

分域回転結晶粒は、先に説明したように、圧電アクチュエータの駆動時に、順方向または逆方向の、抗電界強度Ecを超える電圧が印加されると、その電圧の印加方向に90°回転変位を生じて、正分極結晶粒による圧電変位と共に、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形に寄与する。つまり、抗電界強度Ecを超える電圧を印加した際の、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形の変位の総量εは、式(1):
ε=εP31+εd31 (1)
に示すように、分域回転結晶粒の90°回転変位による変位量、すなわち90°回転変位成分εd31と、正分極結晶粒の圧電変位による変位量、すなわち圧電変位成分εP31との和で表される。
As described above, when a voltage exceeding the coercive electric field strength Ec in the forward direction or the reverse direction is applied when the piezoelectric actuator is driven, the domain-rotated crystal grain is rotated by 90 ° in the voltage application direction. This contributes to bending deformation in the thickness direction of the piezoelectric actuator along with piezoelectric displacement caused by positively polarized crystal grains. That is, when the voltage exceeding the coercive electric field strength Ec is applied, the total amount ε of the displacement of the piezoelectric actuator in the thickness direction is expressed by equation (1):
ε = ε P31 + ε d31 (1)
As shown in FIG. 4, the displacement amount due to the 90 ° rotational displacement of the domain rotation crystal grain, that is, the sum of the 90 ° rotational displacement component ε d31 and the displacement amount due to the piezoelectric displacement of the positive polarization crystal grain, ie, the piezoelectric displacement component ε P31 expressed.

そこで、発明者は、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形の変位の総量εに対する、圧電変位成分εP31の比(180°ドメイン比率)の範囲でもって、分域回転結晶粒の割合を規定することを検討した結果、圧電セラミック層に、抗電界強度Ecの1.2倍を超える電圧を印加して厚み方向に撓み変形させた際の、前記比が0.6以上となるようにすれば、分域回転結晶粒の割合が小さいため、耐久性に優れ、たとえ、圧電セラミック層に、抗電界強度Ecを超える逆方向の電圧が繰り返し印加される駆動方法によって駆動させたとしても、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に、大きく低下するおそれのない圧電アクチュエータが得られることを見出した。 Therefore, the inventor prescribes the ratio of the domain rotation crystal grains within the range of the ratio (180 ° domain ratio) of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total displacement ε of the deformation in the thickness direction of the piezoelectric actuator. As a result of examining this, if the piezoelectric ceramic layer is applied with a voltage exceeding 1.2 times the coercive electric field strength Ec to bend and deform in the thickness direction, the ratio should be 0.6 or more. In addition, since the ratio of the domain rotating crystal grains is small, the durability is excellent, even if the piezoelectric ceramic layer is driven by a driving method in which a reverse voltage exceeding the coercive electric field strength Ec is repeatedly applied. It has been found that a piezoelectric actuator can be obtained in which the amount of displacement of the bending deformation does not significantly decrease with time.

したがって、請求項1記載の発明は、複数の加圧室、および前記複数の加圧室にそれぞれ連通する複数のノズルを含む基板と、前記基板に積層された、平板状の圧電アクチュエータとを含むインクジェットプリンタヘッドであって、
前記圧電アクチュエータは、前記複数の加圧室を覆う大きさを有する振動板、共通電極、および圧電セラミック層と、前記複数の加圧室にそれぞれ対応して設けられている複数の個別電極層とを含み、
前記個別電極層の面積は、前記加圧室の面積の0.8倍以上、1.0倍未満であり、
前記圧電セラミック層は、平均結晶粒径が0.5μm以上、2.5μm以下であるとともに、前記圧電セラミック層は、前記共通電極層と前記個別電極層とに挟まれていて、厚み方向に電圧が印加されることで、厚み方向と直交する面方向に伸縮て、厚み方向に撓み変形し、かつ前記圧電セラミック層に、前記圧電セラミック層の抗電界強度Ecの1.2倍を超える電圧を印加して厚み方向に撓み変形させた際の、式(1):
ε=εP31+εd31 (1)
(式中、εP31は変位量のうち圧電変位成分、εd31は変位量のうち90°回転変位成分を示す。)
で表される変位の総量εに対する、圧電変位成分εP31の比が、0.6以上とされていることを特徴とするインクジェットプリンタヘッドである。
Therefore, the invention described in claim 1 includes a plurality of pressurizing chambers, a substrate including a plurality of nozzles respectively communicating with the plurality of pressurizing chambers, and a plate-like piezoelectric actuator stacked on the substrate. An inkjet printer head,
The piezoelectric actuator includes a diaphragm having a size covering the plurality of pressurizing chambers, a common electrode, and a piezoelectric ceramic layer, and a plurality of individual electrode layers provided corresponding to the plurality of pressurizing chambers, respectively. Including
The area of the individual electrode layer is 0.8 times or more and less than 1.0 times the area of the pressurizing chamber,
The piezoelectric ceramic layer has an average crystal grain size of not less than 0.5 μm and not more than 2.5 μm, and the piezoelectric ceramic layer is sandwiched between the common electrode layer and the individual electrode layer and has a voltage in the thickness direction. by but is applied to stretch in the plane direction orthogonal to the thickness direction, and deformed in the thickness direction, and the piezoelectric ceramic layer, more than 1.2 times the coercive field strength Ec of the piezoelectric ceramic layer Formula (1) when applying voltage to bend and deform in the thickness direction:
ε = ε P31 + ε d31 (1)
(In the equation, ε P31 represents the piezoelectric displacement component of the displacement amount, and ε d31 represents the 90 ° rotational displacement component of the displacement amount.)
The ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total displacement ε expressed by is an ink jet printer head characterized by being 0.6 or more.

また、前記圧電セラミック層は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックからなるのが好ましい。 The piezoelectric ceramic layer is preferably made of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate .

図1は、本発明のインクジェットプリンタヘッド2の、実施の形態の一例を示す拡大断面図である。
図1を参照して、この例のインクジェットプリンタヘッド2は、インクが充てんされる加圧室3と、前記加圧室3に連通し、加圧室3内のインクを、インク滴として吐出させるためのノズル4とを有する複数の液滴吐出部5を、面方向に配列させて形成した基板6と、前記基板6の複数の加圧室3を覆う大きさを有する圧電セラミック層7を含み、前記基板6上に積層された、平板状の圧電アクチュエータ1とを備えている。
1, Lee inkjet purine meter size EBEP head 2 of the present invention, is an enlarged cross-sectional view showing an example of the embodiment.
Referring to FIG. 1, an ink jet printer head 2 of this example communicates with a pressurizing chamber 3 filled with ink and the pressurizing chamber 3, and ejects ink in the pressurizing chamber 3 as ink droplets. Including a substrate 6 formed by arranging a plurality of droplet discharge portions 5 having nozzles 4 for arranging in a plane direction, and a piezoelectric ceramic layer 7 having a size covering the plurality of pressure chambers 3 of the substrate 6. And a plate-like piezoelectric actuator 1 laminated on the substrate 6.

前記圧電アクチュエータ1は、個々の加圧室3に対応して配設され、個別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に撓み変形する複数の圧電変形領域8と、前記圧電変形領域8を囲んで配設され、前記基板6に固定されることで変形が防止された拘束領域9とに区画されている。また、図の例の圧電アクチュエータ1は、圧電セラミック層7の、図において上面に、加圧室3ごとに個別に形成された個別電極層10と、前記圧電セラミック層7の下面に、順に積層された、共に、複数の加圧室3を覆う大きさを有する、共通電極層11と振動板12とを備えた、いわゆるユニモルフ型の構成を有している。   The piezoelectric actuator 1 is disposed corresponding to each pressurizing chamber 3 and individually applied with a voltage, thereby individually bending and deforming in the thickness direction, and a plurality of piezoelectric deformation regions 8. The area 8 is disposed so as to surround the area 8 and is partitioned into a restrained area 9 which is fixed to the substrate 6 and prevented from being deformed. Also, the piezoelectric actuator 1 in the example shown in the figure is laminated in order on the upper surface of the piezoelectric ceramic layer 7, on the individual electrode layer 10 formed individually for each pressurizing chamber 3, and on the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 7. Both have a so-called unimorph type configuration including a common electrode layer 11 and a diaphragm 12 having a size covering the plurality of pressurizing chambers 3.

圧電セラミック層7は、例えば、PZT等の圧電材料によって形成されていると共に、前記正分極方向に、あらかじめ分極されて、横振動モードの圧電変形特性が付与されている。圧電アクチュエータ1の、任意の圧電変形領域8に、前記圧電変形領域8に対応した個別電極層10と、共通電極層11とを介して、順方向、すなわち、圧電セラミック層7の正分極方向と同方向の電圧が印加されると、前記圧電セラミック層7の、両電極層10、11の間に挟まれた領域が、層の面方向に収縮する。しかし、圧電セラミック層7の下面は、共通電極層11を介して振動板12に固定されているため、前記領域が収縮すると、それに伴って、前記圧電変形領域8が、加圧室3の方向に突出するように撓み変形する。   The piezoelectric ceramic layer 7 is formed of, for example, a piezoelectric material such as PZT, and is previously polarized in the positive polarization direction to give a transverse vibration mode piezoelectric deformation characteristic. A forward direction, that is, a positive polarization direction of the piezoelectric ceramic layer 7, in an arbitrary piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 1 via the individual electrode layer 10 corresponding to the piezoelectric deformation region 8 and the common electrode layer 11. When a voltage in the same direction is applied, the region sandwiched between the electrode layers 10 and 11 of the piezoelectric ceramic layer 7 contracts in the plane direction of the layer. However, since the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 7 is fixed to the diaphragm 12 via the common electrode layer 11, when the region contracts, the piezoelectric deformation region 8 moves in the direction of the pressurizing chamber 3. To bend and deform.

また、圧電アクチュエータ1の、任意の圧電変形領域8に、前記圧電変形領域8に対応した個別電極層10と、共通電極層11とを介して、逆方向の電圧が印加されると、前記圧電セラミック層7の、両電極層10、11の間に挟まれた領域が、層の面方向に伸長し、それに伴って、前記圧電変形領域8が、逆に、加圧室3の方向と反対方向に突出するように撓み変形する。そのため、例えば、先に説明したように、圧電アクチュエータ1の、任意の圧電変形領域8に、両電極層10、11を介して、前記順方向、および逆方向の電圧が交互に入れ替わる駆動電圧パルスを印加すると、前記圧電変形領域8が、圧電アクチュエータ1の厚み方向に振動し、この振動によって加圧された加圧室3内のインクが、ノズル4を通して、インク滴として吐出される。   In addition, when a voltage in the reverse direction is applied to an arbitrary piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 1 via the individual electrode layer 10 corresponding to the piezoelectric deformation region 8 and the common electrode layer 11, the piezoelectric A region sandwiched between the electrode layers 10 and 11 of the ceramic layer 7 extends in the plane direction of the layer, and accordingly, the piezoelectric deformation region 8 is opposite to the direction of the pressurizing chamber 3. It bends and deforms so as to protrude in the direction. Therefore, for example, as described above, the drive voltage pulse in which the forward voltage and the reverse voltage are alternately switched to the arbitrary piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 1 via both electrode layers 10 and 11. Is applied, the piezoelectric deformation region 8 vibrates in the thickness direction of the piezoelectric actuator 1, and the ink in the pressurizing chamber 3 pressurized by the vibration is ejected as an ink droplet through the nozzle 4.

本発明では、前記圧電アクチュエータ1の圧電変形領域8に、両電極層10、11を介して、圧電セラミック層7の抗電界強度Ecの1.2倍を超える電圧を印加して厚み方向に撓み変形させた際の、式(1):
ε=εP31+εd31 (1)
(式中、εP31は変位量のうち圧電変位成分、εd31は変位量のうち90°回転変位成分を示す。)
で表される変位の総量εに対する、圧電変位成分εP31の比が、0.6以上となるように、圧電セラミック材料の多結晶体からなる圧電セラミック層7中に存在する、前記分域回転結晶粒の割合が制限される。
In the present invention, a voltage exceeding 1.2 times the coercive field strength Ec of the piezoelectric ceramic layer 7 is applied to the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 1 via both electrode layers 10 and 11 to bend in the thickness direction. Equation (1) when transformed:
ε = ε P31 + ε d31 (1)
(In the equation, ε P31 represents a piezoelectric displacement component of the displacement amount, and ε d31 represents a 90 ° rotational displacement component of the displacement amount.)
The domain rotation is present in the piezoelectric ceramic layer 7 made of a piezoelectric ceramic material polycrystal so that the ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total displacement ε represented by The proportion of crystal grains is limited.

そのため、圧電セラミック層7のうち、圧電変形領域8に対応する領域の全体として見たときの、反転結晶粒の割合が、逆方向の電圧の印加によって大幅に増加するのを抑制して、圧電アクチュエータ1の、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に、大きく低下するのを防止することができ、圧電アクチュエータ1は、耐久性に優れ、たとえ、圧電セラミック層7に、抗電界強度Ecを超える逆方向の電圧が印加される駆動方法によって駆動させたとしても、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に、大きく低下するおそれのないものとなる。   For this reason, the piezoelectric ceramic layer 7 suppresses a significant increase in the ratio of inversion crystal grains due to the application of a reverse voltage when viewed as a whole of the region corresponding to the piezoelectric deformation region 8. The displacement amount of the bending deformation in the thickness direction of the actuator 1 can be prevented from greatly decreasing with time, and the piezoelectric actuator 1 is excellent in durability. For example, the piezoelectric ceramic layer 7 has a coercive electric field strength. Even if it is driven by a driving method in which a reverse voltage exceeding Ec is applied, the displacement amount of the bending deformation in the thickness direction is not likely to greatly decrease with time.

したがって、前記圧電アクチュエータ1は、例えば、順方向、および逆方向の電圧が交互に入れ替わる駆動電圧パルスを印加して駆動させる際に、両方向の電圧を、共に、抗電界強度Ecを超える高電圧に設定して、厚み方向の撓み変形の変位量を、現状よりもさらに大きくすることが可能である。また、前記圧電アクチュエータは、例えば、0Vと順方向の電圧、または0Vと逆方向の電圧が繰り返される駆動電圧パルス等を印加して駆動させることも可能であり、その際にも、いずれかの電圧を、抗電界強度Ecを超える高電圧に設定して、厚み方向の撓み変形の変位量を、現状よりもさらに大きくすることが可能である。   Therefore, for example, when the piezoelectric actuator 1 is driven by applying a drive voltage pulse in which the forward and reverse voltages are alternately switched, the voltage in both directions is increased to a high voltage exceeding the coercive electric field strength Ec. By setting, it is possible to make the displacement amount of the bending deformation in the thickness direction larger than the current amount. In addition, the piezoelectric actuator can be driven by applying a drive voltage pulse or the like in which a voltage of 0 V and a forward direction or a voltage of 0 V and a reverse direction are repeated. By setting the voltage to a high voltage exceeding the coercive electric field strength Ec, it is possible to further increase the displacement amount of the bending deformation in the thickness direction than the current state.

また、前記圧電アクチュエータ1は、現状より高速で駆動させることもできる。例えば、順方向、および逆方向の電圧が交互に入れ替わる駆動電圧パルスを印加して駆動させる際には、周波数0.01〜25kHzの範囲で、良好に駆動させることができる。これは、分域回転結晶粒の90°回転変位より、正分極結晶粒の圧電変位の方が、応答速度が高いためである。   Further, the piezoelectric actuator 1 can be driven at a higher speed than the current state. For example, when driving by applying a driving voltage pulse in which the forward voltage and the reverse voltage are alternately switched, the driving can be favorably performed in a frequency range of 0.01 to 25 kHz. This is because the piezoelectric displacement of the positively polarized crystal grains has a higher response speed than the 90 ° rotational displacement of the domain rotating crystal grains.

また、前記圧電アクチュエータ1は、現状よりも広い温度範囲で駆動させることもできる。具体的には、−20〜+180℃の範囲で、良好に駆動させることができる。これは分域回転結晶粒の90°回転変位より、正分極結晶粒の圧電変位の方が、温度依存性が低いためである。
変位の総量εに対する、前記圧電変位成分εP31の比は、前記の範囲内でも、大きければ大きいほど好ましく、1.0であるのが、圧電アクチュエータ1の耐久性の点で、最も理想的である。つまり、圧電セラミック層7のうち、圧電変形領域8に対応する領域は、分域回転結晶粒を全く含まないのが理想的である。しかし、そのような圧電セラミック層7を形成するのは容易ではなく、圧電アクチュエータ1の生産性が低下するおそれがあるため、圧電アクチュエータ1の耐久性と、生産性との兼ね合いを考慮すると、変位の総量εに対する圧電変位成分εP31の比は、前記の範囲内でも、特に、0.7〜0.9であるのが好ましい。
Further, the piezoelectric actuator 1 can be driven in a wider temperature range than the current state. Specifically, it can be driven satisfactorily in the range of -20 to + 180 ° C. This is because the piezoelectric displacement of the positively polarized crystal grains is less temperature dependent than the 90 ° rotational displacement of the domain rotating crystal grains.
The ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total displacement ε is preferably as large as possible even within the above range, and 1.0 is the most ideal in terms of durability of the piezoelectric actuator 1. is there. That is, it is ideal that the region corresponding to the piezoelectric deformation region 8 in the piezoelectric ceramic layer 7 does not include any domain rotation crystal grains. However, since it is not easy to form such a piezoelectric ceramic layer 7 and the productivity of the piezoelectric actuator 1 may be reduced, the displacement of the piezoelectric actuator 1 is considered in consideration of the balance between the durability of the piezoelectric actuator 1 and the productivity. The ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total amount ε is particularly preferably 0.7 to 0.9 even within the above range.

なお、前記比を求めるために、圧電アクチュエータ1の圧電変形領域8に印加される電圧が、圧電セラミック層7の抗電界強度Ecの1.2倍を超える範囲に限定されるのは、先に説明したように、90°回転変位成分εd31の、印加電圧に対する応答性が低く、前記範囲以下では、圧電セラミック層7のうち、圧電変形領域8に対応する領域内に存在する分域回転結晶粒の全量が、90°回転変位しきれないことから、前記領域内に存在する分域回転結晶粒の割合を、正確に把握できないためである。 In order to obtain the ratio, the voltage applied to the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 1 is limited to a range exceeding 1.2 times the coercive electric field strength Ec of the piezoelectric ceramic layer 7. As described, the 90 ° rotational displacement component ε d31 has low responsiveness to the applied voltage, and below the above range, the domain rotating crystal existing in the region corresponding to the piezoelectric deformation region 8 in the piezoelectric ceramic layer 7. This is because the total amount of grains cannot be rotated and displaced by 90 °, so that the proportion of domain-rotated crystal grains existing in the region cannot be accurately grasped.

すなわち、圧電変形領域8の変位量(nm)と、電界強度(kV/cm)との関係を示す図2に示すように、図中に−●−●−の線で示す、圧電変形領域8の変位の総量εは、0Vから、圧電セラミック層7の抗電界強度Ecまでは、図中に破線で示す、正分極結晶粒の圧電変位による圧電変位成分εP31とほぼ一致する。そして、抗電界強度Ecを超えた時点から、分域回転結晶粒の90°回転変位による90°回転変位成分εd31が少しずつ増加して、抗電界強度Ecの1.2倍の電圧Edを超えた時点から以降の範囲において、90°回転変位成分εd31がほぼ一定となる。そのため、印加電圧が、抗電界強度Ecの1.2倍を超える電圧を印加した際の、圧電変形領域8の変位の総量εに対する、90°回転変位成分εd31の比を求めることによって、圧電セラミック層7のうち、圧電変形領域8に対応する領域内に存在する分域回転結晶粒の割合を、正確に把握することができるのである。 That is, as shown in FIG. 2 showing the relationship between the displacement amount (nm) of the piezoelectric deformation region 8 and the electric field strength (kV / cm), the piezoelectric deformation region 8 indicated by the line-●-●-in the drawing. The total displacement ε from 0 V to the coercive electric field strength Ec of the piezoelectric ceramic layer 7 substantially coincides with the piezoelectric displacement component ε P31 due to the piezoelectric displacement of the positively polarized crystal grains shown by the broken line in the figure. When the coercive electric field strength Ec is exceeded, the 90 ° rotational displacement component ε d31 due to the 90 ° rotational displacement of the domain rotating crystal grains gradually increases, and the voltage Ed that is 1.2 times the coercive electric field strength Ec is increased. The 90 ° rotational displacement component ε d31 is substantially constant in the subsequent range from the time when the value is exceeded. Therefore, by obtaining the ratio of the 90 ° rotational displacement component ε d31 to the total displacement ε of the piezoelectric deformation region 8 when a voltage exceeding 1.2 times the coercive electric field strength Ec is applied, the piezoelectric is obtained. In the ceramic layer 7, it is possible to accurately grasp the ratio of domain rotating crystal grains existing in the region corresponding to the piezoelectric deformation region 8.

変位の総量εに対する圧電変位成分εP31の比が、前記0.6以上の範囲内となるように、圧電セラミック層7のうち、圧電変形領域8に対応する領域内に存在する分域回転結晶粒の割合を調整するためには、圧電セラミック層7を形成する圧電セラミック材料の組成や粒径、焼成条件、前記圧電セラミック層7を分極させる際の分極条件(温度、印加電圧等)等を調整して、できるだけ、分域回転結晶粒が発生しないようにすることが考えられる。 Domain rotation crystal existing in a region corresponding to the piezoelectric deformation region 8 in the piezoelectric ceramic layer 7 so that the ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total displacement ε is in the range of 0.6 or more. In order to adjust the proportion of grains, the composition and particle size of the piezoelectric ceramic material forming the piezoelectric ceramic layer 7, firing conditions, polarization conditions (temperature, applied voltage, etc.) when the piezoelectric ceramic layer 7 is polarized, etc. It is conceivable to adjust so that domain-rotated crystal grains are not generated as much as possible.

特に、圧電セラミック層7を形成する圧電セラミックの平均結晶粒径が0.5〜2.5μmとなるように、原料としての圧電セラミック材料の組成や粒径、焼成条件等を調整すると、焼成工程や、その後の分極工程において、分域回転結晶粒の発生を抑制して、変位の総量εに対する圧電変位成分εP31の比が0.6以上の、耐久性に優れた圧電アクチュエータを形成することが容易である。これは、分域回転結晶粒の発生比率と、圧電セラミック層7を形成する圧電セラミックの、結晶粒の粒径との間に比例関係があり、結晶粒の粒径が大きいほど、分域回転結晶粒の発生比率が高まるためである。 In particular, when the composition, grain size, firing conditions, etc. of the piezoelectric ceramic material as a raw material are adjusted so that the average crystal grain size of the piezoelectric ceramic forming the piezoelectric ceramic layer 7 is 0.5 to 2.5 μm, the firing step In addition, in the subsequent polarization step, the generation of domain rotating crystal grains is suppressed, and a piezoelectric actuator having excellent durability in which the ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total displacement ε is 0.6 or more is formed. Is easy. This is proportional to the generation ratio of the domain rotation crystal grains and the crystal grain size of the piezoelectric ceramic forming the piezoelectric ceramic layer 7, and the domain rotation increases as the crystal grain size increases. This is because the generation ratio of crystal grains increases.

圧電セラミックの平均結晶粒径が、前記0.5〜2.5μmの範囲内であるのが好ましいのは、前記範囲未満では、変位に寄与する結晶粒の粒径が小さくなりすぎて、特に、初期における変位の総量が小さくなるおそれがあるためである。また、前記範囲を超える場合には、分域回転結晶粒の発生を十分に抑制することができず、変位の総量εに対する圧電変位成分εP31の比が0.6未満となって、圧電アクチュエータの耐久性が低下するおそれがあるためである。 The average crystal grain size of the piezoelectric ceramic is preferably in the range of 0.5 to 2.5 μm. If the average crystal grain size is less than the above range, the grain size of the crystal grains contributing to the displacement becomes too small. This is because the total amount of displacement in the initial stage may be reduced. In addition, when the above range is exceeded, the generation of domain rotating crystal grains cannot be sufficiently suppressed, and the ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total displacement ε is less than 0.6, and the piezoelectric actuator This is because the durability of the steel may be reduced.

なお、圧電セラミックの平均結晶粒径は、分域回転結晶粒の発生を、さらに抑制して、圧電アクチュエータの耐久性を、より一層、向上することを考慮すると、前記範囲内でも、2.0μm以下であるのが好ましい。また、圧電アクチュエータの耐久性と、初期における変位の総量が小さくなりすぎるのを防止することとのバランスを考慮すると、前記範囲内でも、1.0〜2.0μmであるのが好ましい。   Note that the average crystal grain size of the piezoelectric ceramic is 2.0 μm even within the above range in consideration of further suppressing the generation of domain rotating crystal grains and further improving the durability of the piezoelectric actuator. It is preferable that: In consideration of the balance between the durability of the piezoelectric actuator and preventing the total amount of displacement in the initial stage from becoming too small, the thickness is preferably 1.0 to 2.0 μm even within the above range.

但し、圧電セラミックの平均結晶粒径は、圧電アクチュエータの変位の総量εに対する圧電変位成分εP31の比を0.6以上とするために必須の要件ではない。平均結晶粒径が2.5μmを超える圧電セラミックからなる圧電セラミック層を有していても、前記圧電セラミック層の分極方法等を工夫することで、圧電アクチュエータの変位の総量εに対する、圧電変位成分εP31の比を、0.6以上とすることは可能である。 However, the average crystal grain size of the piezoelectric ceramic is not an essential requirement for setting the ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total displacement ε of the piezoelectric actuator to be 0.6 or more. Even if it has a piezoelectric ceramic layer made of a piezoelectric ceramic having an average crystal grain size exceeding 2.5 μm, by devising the polarization method of the piezoelectric ceramic layer, the piezoelectric displacement component with respect to the total displacement ε of the piezoelectric actuator The ratio of ε P31 can be 0.6 or more.

例えば、図1に示した構造の圧電アクチュエータ1の場合は、圧電アクチュエータ1の、拘束領域9で囲まれた圧電変形領域8の、面方向の面積A1と、前記圧電変形領域8に形成された個別電極層10の、面方向の面積A2との比A2/A1が、0.8以上、特に、0.9以上で、かつ1.0未満となるように、加圧室3の開口面積と、個別電極層10の面積とを規定することで、圧電アクチュエータの変位の総量εに対する、圧電変位成分εP31の比を0.6以上とすることができる。 For example, in the case of the piezoelectric actuator 1 having the structure shown in FIG. 1, the piezoelectric actuator 1 is formed in the area A 1 in the surface direction of the piezoelectric deformation region 8 surrounded by the restriction region 9 and in the piezoelectric deformation region 8. Further, the pressure chamber 3 is set such that the ratio A 2 / A 1 of the individual electrode layer 10 to the area A 2 in the plane direction is 0.8 or more, particularly 0.9 or more and less than 1.0. By defining the opening area and the area of the individual electrode layer 10, the ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total displacement ε of the piezoelectric actuator can be 0.6 or more.

これは、図1の構造の圧電アクチュエータ1の圧電セラミック層7が、前記圧電アクチュエータ1を基板6上に積層した後、例えば、高温分極法では、所定の温度に加熱しながら、両電極層10、11間に直流電圧を印加して分極処理されるためである。すなわち、前記分極処理を行う圧電アクチュエータ1においては、圧電セラミック層7の、圧電変形領域8に対応する領域のうち、個別電極層10の周囲の、拘束領域9との間の、個別電極層10が形成されていない隙間の領域において、両電極層10、11間に印加される直流電圧の方向が、圧電セラミック層7の厚み方向(正分極方向)と一致せず、個別電極層10の方向に向けてわずかに傾斜した方向となり、分極処理時に、分域回転結晶粒が発生する割合が高くなる。   This is because, after the piezoelectric ceramic layer 7 of the piezoelectric actuator 1 having the structure shown in FIG. 1 is laminated on the substrate 6, for example, in the high temperature polarization method, both electrode layers 10 are heated while being heated to a predetermined temperature. This is because a polarization process is performed by applying a direct-current voltage between 11 and 11. That is, in the piezoelectric actuator 1 that performs the polarization process, the individual electrode layer 10 between the piezoelectric ceramic layer 7 and the restraining region 9 around the individual electrode layer 10 in the region corresponding to the piezoelectric deformation region 8. The direction of the DC voltage applied between the electrode layers 10 and 11 does not coincide with the thickness direction (positive polarization direction) of the piezoelectric ceramic layer 7 in the gap region where no electrode is formed. The direction is slightly inclined toward the direction, and the rate of occurrence of domain-rotated crystal grains increases during the polarization treatment.

そこで、個別電極層10の周囲の、隙間の領域に生じる、分域回転結晶粒が発生する割合をできるだけ小さくするために、前記隙間の領域の割合を小さくすることが考えられ、そのためには、圧電変形領域8の、面方向の面積A1と、個別電極層10の、面方向の面積A2との比A2/A1を、0.8以上、特に0.9以上とするのが好ましいのである。なお、前記比A2/A1が1.0未満であるのが好ましいのは、比A2/A1が1.0以上、つまり圧電変形領域8よりも個別電極層10の方が大きい場合には、駆動時に、圧電セラミック層7のうち、前記圧電変形領域8の周囲の拘束領域9に対応する領域にも駆動電圧が印加されることになり、圧電変形領域8の駆動効率が低下するためである。 Therefore, in order to minimize the rate of occurrence of domain rotation crystal grains generated in the gap region around the individual electrode layer 10, it is conceivable to reduce the ratio of the gap region. The ratio A 2 / A 1 between the area A 1 in the plane direction of the piezoelectric deformation region 8 and the area A 2 in the plane direction of the individual electrode layer 10 is set to 0.8 or more, particularly 0.9 or more. Is preferred. The ratio A 2 / A 1 is preferably less than 1.0 when the ratio A 2 / A 1 is 1.0 or more, that is, the individual electrode layer 10 is larger than the piezoelectric deformation region 8. At the time of driving, a driving voltage is also applied to a region of the piezoelectric ceramic layer 7 corresponding to the constraining region 9 around the piezoelectric deformation region 8, and the driving efficiency of the piezoelectric deformation region 8 is reduced. Because.

本発明の構成は、以上で説明した図の例のものには限定されない。例えば、圧電セラミック層7は、個々の圧電変形領域8ごとに、個別に形成されても良い。その場合、個別電極層10は、個別に形成される圧電セラミック層7上に、前記圧電セラミック層7と同形状、同寸法に形成されるのが一般的であるため、前記面積の差による分域回転結晶粒の発生を抑制することができる。   The configuration of the present invention is not limited to the example of the figure described above. For example, the piezoelectric ceramic layer 7 may be formed individually for each piezoelectric deformation region 8. In that case, the individual electrode layer 10 is generally formed on the individually formed piezoelectric ceramic layer 7 in the same shape and size as the piezoelectric ceramic layer 7. Generation | occurrence | production of area | region rotation crystal grain can be suppressed.

そのため、例えば、圧電セラミック層7として、平均結晶粒径が0.5〜2.5μmである圧電セラミックからなるものを用いる等して、圧電アクチュエータの変位の総量εに対する、圧電変位成分εP31の比を0.6以上として、分域回転結晶粒の発生を抑制し、圧電アクチュエータの耐久性を向上することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を施すことができる。 Therefore, for example, by using a piezoelectric ceramic layer 7 made of a piezoelectric ceramic having an average crystal grain size of 0.5 to 2.5 μm, the piezoelectric displacement component ε P31 with respect to the total displacement ε of the piezoelectric actuator By setting the ratio to 0.6 or more, the generation of domain rotating crystal grains can be suppressed and the durability of the piezoelectric actuator can be improved. In addition, various design changes can be made without departing from the scope of the present invention.

(実施例1)
図1に示す構造を有する、インクジェットプリンタヘッド2を作製した。圧電アクチュエータ1の圧電セラミック層7、共通電極層11、および振動板12は、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を含むグリーンシート2層の間に、金属ペーストの層を挟んだ積層体を焼成して一体に形成し、その上に、金属ペーストをスクリーン印刷し、焼き付けて個別電極層10を形成して、平板状の圧電アクチュエータ1を作製した。
Example 1
Having the structure shown in FIG. 1, to produce an inkjet-purine meter size EBEP head 2. The piezoelectric ceramic layer 7, the common electrode layer 11, and the diaphragm 12 of the piezoelectric actuator 1 sandwich a metal paste layer between two green sheet layers containing a piezoelectric ceramic powder mainly composed of lead zirconate titanate. The laminated body was baked and integrally formed, and a metal paste was screen-printed thereon and baked to form the individual electrode layer 10, thereby producing a plate-like piezoelectric actuator 1.

圧電セラミック層7を形成する圧電セラミックの、走査型電子顕微鏡によって観察された個々の結晶粒の結晶粒径を、インターセプト法によって測定した結果から、前記圧電セラミックの平均結晶粒径を求めたところ、1.8μmであった。また、圧電変形領域8の、面方向の面積A1と、個別電極層10の、面方向の面積Aとの比A/Aは、0.9となるように調整した。次に、前記圧電アクチュエータ1を、基板6上に、接着剤を用いて貼り合わせた後、高温分極法により分極させて、インクジェットプリンタヘッド2を作製した。 From the result of measuring the crystal grain size of the individual crystal grains of the piezoelectric ceramic forming the piezoelectric ceramic layer 7 observed by a scanning electron microscope by the intercept method, the average crystal grain size of the piezoelectric ceramic was determined. It was 1.8 μm. The ratio A 2 / A 1 between the area A 1 in the plane direction of the piezoelectric deformation region 8 and the area A 2 in the plane direction of the individual electrode layer 10 was adjusted to be 0.9. Next, the piezoelectric actuator 1 was bonded to the substrate 6 using an adhesive, and then polarized by a high temperature polarization method, whereby the ink jet printer head 2 was manufactured.

圧電アクチュエータ1の、圧電セラミック層7の抗電界強度Ecは、1.41kV/cmであった。また、前記圧電アクチュエータ1の温度を室温(+5〜+35℃)に維持しながら、圧電セラミック層7に、前記抗電界強度Ecの1.2倍を超える、±1.83kV/cm、周波数0.01Hzの、順方向、および逆方向の電圧が交互に入れ替わる駆動電圧パルスを印加して厚み方向に撓み変形させた際の、変位の総量εに対する、圧電変位成分εP31の比は、0.61であった。 The coercive electric field strength Ec of the piezoelectric ceramic layer 7 of the piezoelectric actuator 1 was 1.41 kV / cm. Further, while maintaining the temperature of the piezoelectric actuator 1 at room temperature (+5 to + 35 ° C.), the piezoelectric ceramic layer 7 has ± 1.83 kV / cm, a frequency of 0.1. The ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total amount of displacement ε when a driving voltage pulse of 01 Hz, in which forward and reverse voltages are alternately switched, is applied and deformed in the thickness direction is 0.61. Met.

前記圧電アクチュエータ1の温度を室温(+5〜+35℃)に維持しながら、圧電セラミック層7に、±1.83kV/cm、周波数1kHzの、順方向、および逆方向の電圧が交互に入れ替わる駆動電圧パルスを、10億サイクル、印加して駆動させた後、同じ室温(+5〜+35℃)に維持しながら、同電圧で、かつ周波数の異なる駆動電圧パルスを印加して駆動させた際の、前記圧電アクチュエータ1の圧電変形領域8の、面方向の中心位置の変位量を測定した。そして、前記10億サイクルの駆動前に、同条件で測定した初期値からの変位量の変化率(%)と、周波数(Hz)との関係を図3にプロットした。図3より、実施例1の圧電アクチュエータ1は、10億サイクル後の変位変化率が、周波数0.01〜25kHzの範囲内で、いずれも、−15.0%以内に抑えられており、広い周波数範囲で、耐久性に優れ、良好に駆動できることが確認された。   A driving voltage in which forward and reverse voltages of ± 1.83 kV / cm and a frequency of 1 kHz are alternately switched in the piezoelectric ceramic layer 7 while maintaining the temperature of the piezoelectric actuator 1 at room temperature (+5 to + 35 ° C.). After applying and driving a pulse for 1 billion cycles, while maintaining the same room temperature (+5 to + 35 ° C.) and driving by applying a driving voltage pulse having the same voltage and different frequency, The displacement amount of the center position in the surface direction of the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 1 was measured. The relationship between the change rate (%) of the displacement from the initial value measured under the same conditions and the frequency (Hz) was plotted in FIG. From FIG. 3, the piezoelectric actuator 1 of Example 1 has a displacement change rate after 1 billion cycles within a frequency range of 0.01 to 25 kHz, and is suppressed to within −15.0%. It was confirmed that it was excellent in durability and could be driven well in the frequency range.

また、前記圧電アクチュエータ1の温度を−20〜180℃の任意の温度に維持しながら、圧電セラミック層7に、±1.83kV/cm、周波数1kHzの、順方向、および逆方向の電圧が交互に入れ替わる駆動電圧パルスを、10億サイクル、印加して駆動させた後、同じ温度に維持しながら、同電圧、同周波数の駆動電圧パルスを印加して駆動させた際の、前記圧電アクチュエータ1の圧電変形領域8の、面方向の中心位置の変位量を測定した。そして、前記10億サイクルの駆動前に、同条件で測定した初期値からの変位量の変化率(%)と、圧電アクチュエータ1の温度(℃)との関係を図4にプロットした。図4より、実施例1の圧電アクチュエータ1は、10億サイクル後の変位変化率が、温度−20〜180℃の範囲内で、いずれも、−15.0%以内に抑えられており、広い温度範囲で、耐久性に優れ、良好に駆動できることが確認された。   Further, while maintaining the temperature of the piezoelectric actuator 1 at an arbitrary temperature of −20 to 180 ° C., forward and reverse voltages of ± 1.83 kV / cm, frequency 1 kHz are alternately applied to the piezoelectric ceramic layer 7. Of the piezoelectric actuator 1 when the drive voltage pulse having the same frequency and the same frequency is applied and driven while maintaining the same temperature after being applied and driven for 1 billion cycles. The displacement amount of the center position in the surface direction of the piezoelectric deformation region 8 was measured. Then, the relationship between the change rate (%) of the displacement amount from the initial value measured under the same conditions and the temperature (° C.) of the piezoelectric actuator 1 was plotted in FIG. From FIG. 4, the piezoelectric actuator 1 of Example 1 has a displacement change rate after 1 billion cycles within a temperature range of −20 to 180 ° C., both of which are suppressed to within −15.0%. It was confirmed that it was excellent in durability and could be driven well in the temperature range.

(実施例2)
圧電セラミック層7を形成する原料としての、前記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の粒径、および焼成条件を調整して、前記インターセプト法による結晶粒径の測定結果から求められる、圧電セラミックの平均結晶粒径が、表1に示す値である圧電セラミック層7を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、同表に示す試料No.1〜11の、11種の圧電アクチュエータ1を作製し、インクジェットプリンタヘッド2を作製した。圧電変形領域8の、面方向の面積Aと、個別電極層10の、面方向の面積Aとの比A/Aは、0.9となるように調整した。
(Example 2)
The grain size of the piezoelectric ceramic powder mainly composed of lead zirconate titanate as a raw material for forming the piezoelectric ceramic layer 7 and the firing conditions are adjusted and obtained from the measurement result of the crystal grain size by the intercept method. In the same manner as in Example 1, except that the piezoelectric ceramic layer 7 having an average crystal grain size of the piezoelectric ceramic having a value shown in Table 1 was used, A kind of piezoelectric actuator 1 was produced, and an ink jet printer head 2 was produced. The ratio A 2 / A 1 between the area A 1 in the plane direction of the piezoelectric deformation region 8 and the area A 2 in the plane direction of the individual electrode layer 10 was adjusted to be 0.9.

圧電アクチュエータ1の、圧電セラミック層7の抗電界強度Ecは、いずれも、1.41kV/cmであった。また、前記圧電アクチュエータ1の温度を室温(+5〜+35℃)に維持しながら、圧電セラミック層7に、前記抗電界強度Ecの1.2倍を超える、±1.83kV/cm、周波数0.01Hzの、順方向、および逆方向の電圧が交互に入れ替わる駆動電圧パルスを印加して厚み方向に撓み変形させた際の、変位の総量εに対する、圧電変位成分εP31の比は、表1に示す値となった。 The coercive electric field strength Ec of the piezoelectric ceramic layer 7 of the piezoelectric actuator 1 was 1.41 kV / cm. Further, while maintaining the temperature of the piezoelectric actuator 1 at room temperature (+5 to + 35 ° C.), the piezoelectric ceramic layer 7 has ± 1.83 kV / cm, a frequency of 0.1. Table 1 shows the ratio of the piezoelectric displacement component ε P31 to the total amount of displacement ε when a driving voltage pulse of 01 Hz in which forward and reverse voltages are alternately applied is applied to bend and deform in the thickness direction. It became the value shown.

Figure 0005043336
Figure 0005043336

前記圧電アクチュエータ1の温度を室温(+5〜+35℃)に維持しながら、圧電セラミック層7に、±1.83kV/cm、周波数1kHzの、順方向、および逆方向の電圧が交互に入れ替わる駆動電圧パルスを、10億サイクル、印加して駆動させた後、同じ室温(+5〜+35℃)に維持しながら、同電圧、同周波数の駆動電圧パルスを印加して駆動させた際の、前記圧電アクチュエータ1の圧電変形領域8の、面方向の中心位置の変位量を測定した。そして、前記10億サイクルの駆動前に、同条件で測定した初期値からの変位量の変化率(%)と、圧電セラミック層7を形成する圧電セラミックの平均結晶粒径(μm)との関係を図4にプロットした。   A driving voltage in which forward and reverse voltages of ± 1.83 kV / cm and a frequency of 1 kHz are alternately switched in the piezoelectric ceramic layer 7 while maintaining the temperature of the piezoelectric actuator 1 at room temperature (+5 to + 35 ° C.). The piezoelectric actuator when driven by applying a drive voltage pulse having the same voltage and the same frequency while maintaining the same room temperature (+5 to + 35 ° C.) after being applied and driven for 1 billion cycles. The displacement amount of the center position in the surface direction of one piezoelectric deformation region 8 was measured. The relationship between the change rate (%) of the amount of displacement from the initial value measured under the same conditions before driving for 1 billion cycles and the average crystal grain size (μm) of the piezoelectric ceramic forming the piezoelectric ceramic layer 7. Is plotted in FIG.

表1および図4より、圧電セラミック層7を形成する圧電セラミックの平均結晶粒径を2.5μm以下とすることで、圧電アクチュエータ1の、10億サイクル後の変位変化率を−10.0%以内に抑えられることが確認された。   From Table 1 and FIG. 4, by setting the average crystal grain size of the piezoelectric ceramic forming the piezoelectric ceramic layer 7 to 2.5 μm or less, the displacement change rate after 1 billion cycles of the piezoelectric actuator 1 is −10.0%. It was confirmed that it was suppressed within.

本発明のインクジェットプリンタヘッドの、実施の形態の一例を示す拡大断面図である。 Lee inkjet purine meter size EBEP head of the present invention, is an enlarged cross-sectional view showing an example of the embodiment. 図1のインクジェットプリンタヘッドにおける、圧電変形領域の変位量(nm)と、電界強度(kV/cm)との関係を示すグラフである。2 is a graph showing a relationship between a displacement amount (nm) of a piezoelectric deformation region and an electric field strength (kV / cm) in the ink jet printer head of FIG. 本発明の実施例1で作製したインクジェットプリンタヘッドにおける、圧電変形領域の、変位量の変化率(%)と、周波数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the change rate (%) of the displacement amount of a piezoelectric deformation area | region in the inkjet printer head produced in Example 1 of this invention, and a frequency. 本発明の実施例1で作製したインクジェットプリンタヘッドにおける、圧電変形領域の、変位量の変化率(%)と、温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the change rate (%) of the displacement amount of a piezoelectric deformation area | region, and temperature in the inkjet printer head produced in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2で作製したインクえっとプリンタヘッドにおける、圧電変形領域の、変位量の変化率(%)と、圧電セラミック層を形成する圧電セラミックの平均結晶粒径との関係を示すグラフである。The graph which shows the relationship between the change rate (%) of the displacement amount of a piezoelectric deformation area | region, and the average crystal grain diameter of the piezoelectric ceramic which forms a piezoelectric ceramic layer in the ink brush printer head produced in Example 2 of this invention. It is.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電アクチュエータ
2 インクジェットプリンタヘッド
7 圧電セラミック層
8 圧電変形領域
9 拘束領域
10 個別電極層
11 共通電極層
12 振動板
1 Piezoelectric actuator
2 Inkjet printer head 7 Piezoelectric ceramic layer 8 Piezoelectric deformation region 9 Restraint region 10 Individual electrode layer 11 Common electrode layer 12 Diaphragm

Claims (2)

複数の加圧室、および前記複数の加圧室にそれぞれ連通する複数のノズルを含む基板と、前記基板に積層された、平板状の圧電アクチュエータとを含むインクジェットプリンタヘッドであって、
前記圧電アクチュエータは、前記複数の加圧室を覆う大きさを有する振動板、共通電極、および圧電セラミック層と、前記複数の加圧室にそれぞれ対応して設けられている複数の個別電極層とを含み、
前記個別電極層の面積は、前記加圧室の面積の0.8倍以上、1.0倍未満であり、
前記圧電セラミック層は、平均結晶粒径が0.5μm以上、2.5μm以下であるとともに、前記圧電セラミック層は、前記共通電極層と前記個別電極層とに挟まれていて、厚み方向に電圧が印加されることで、厚み方向と直交する面方向に伸縮て、厚み方向に撓み変形し、かつ前記圧電セラミック層に、前記圧電セラミック層の抗電界強度Ecの1.2倍を超える電圧を印加して厚み方向に撓み変形させた際の、式(1):
ε=εP31+εd31 (1)
(式中、εP31は変位量のうち圧電変位成分、εd31は変位量のうち90°回転変位成分を示す。)
で表される変位の総量εに対する、圧電変位成分εP31の比が、0.6以上とされていることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド
An inkjet printer head comprising a plurality of pressurizing chambers, a substrate including a plurality of nozzles respectively communicating with the plurality of pressurizing chambers, and a plate-shaped piezoelectric actuator laminated on the substrate,
The piezoelectric actuator includes a diaphragm having a size covering the plurality of pressurizing chambers, a common electrode, and a piezoelectric ceramic layer, and a plurality of individual electrode layers provided corresponding to the plurality of pressurizing chambers, respectively. Including
The area of the individual electrode layer is 0.8 times or more and less than 1.0 times the area of the pressurizing chamber,
The piezoelectric ceramic layer has an average crystal grain size of not less than 0.5 μm and not more than 2.5 μm, and the piezoelectric ceramic layer is sandwiched between the common electrode layer and the individual electrode layer and has a voltage in the thickness direction. by but is applied to stretch in the plane direction orthogonal to the thickness direction, and deformed in the thickness direction, and the piezoelectric ceramic layer, more than 1.2 times the coercive field strength Ec of the piezoelectric ceramic layer Formula (1) when applying voltage to bend and deform in the thickness direction:
ε = ε P31 + ε d31 (1)
(In the equation, ε P31 represents the piezoelectric displacement component of the displacement amount, and ε d31 represents the 90 ° rotational displacement component of the displacement amount.)
In the total amount epsilon displacement represented, the ratio of the piezoelectric displacement component epsilon P31-jet printer head, characterized in that it is 0.6 or more.
前記圧電セラミック層は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックからなる請求項1記載のインクジェットプリンタヘッド 2. The ink jet printer head according to claim 1 , wherein the piezoelectric ceramic layer is made of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate .
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