JP5118485B2 - 液体吐出装置の駆動方法およびその方法を用いる液体吐出装置 - Google Patents
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Description
IC=I(002)/(I(002)+I(200)) (1)
によって求められる、セラミック材料のC軸配向度ICが、駆動後に、駆動前の初期状態の1〜1.1倍の範囲内を維持する請求項1記載の液体吐出装置の駆動方法である。
(i) 厚み方向に電圧が印加されることで面方向に伸縮する、圧電変形領域に対応した活性領域と、拘束領域に対応した非活性領域とに区画された1層の圧電セラミック層と、
(ii) 前記圧電セラミック層の片側に積層されて、前記活性領域の面方向の伸縮によって厚み方向に撓み変形する振動板と、
を備えており、前記圧電セラミック層の活性領域に駆動電圧波形を印加して面方向に伸縮させることで、前記圧電アクチュエータの圧電変形領域を、厚み方向に振動させる液体吐出装置の駆動方法である。
(I) 厚み方向に電圧が印加されることで面方向に伸縮する、圧電変形領域に対応した活性領域と、拘束領域に対応した非活性領域とに区画された第1の圧電セラミック層と、
(II) 前記第1の圧電セラミック層の片側に積層されて、厚み方向に電圧が印加されることで、面方向に伸縮する第2の圧電セラミック層と、
を備えており、前記第1の圧電セラミック層の活性領域に駆動電圧波形を印加して面方向に伸縮させるのと同期させて、前記第2の圧電セラミック層を、前記活性領域の伸縮と逆の位相で伸縮させることで、前記圧電アクチュエータの圧電変形領域を、厚み方向に振動させる液体吐出装置の駆動方法である。
IC=I(002)/(I(002)+I(200)) (1)
によって求められる、セラミック材料の結晶状態を示すC軸配向度ICが、駆動後に、駆動前の初期状態の、1〜1.1倍の範囲内となるように、その結晶状態を維持することができる。
+VL 第2の電圧
1 液体吐出装置
2 加圧室
3 ノズル
4 液滴吐出部
5 基板
6 (第1の)圧電セラミック層
7 圧電アクチュエータ
8 圧電変形領域
9 拘束領域
12 振動板
15 活性領域
16 非活性領域
17 第2の圧電セラミック層
この例の駆動方法によれば、前記一連の動作を行うことで、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ7の拘束領域9に対応する、圧電セラミック層6の非活性領域16が、徐々にクリープ変形するのを防止することができる。
IC=I(002)/(I(002)+I(200)) (1)
によって求められる、セラミック材料の結晶状態を示すC軸配向度ICが、駆動後に、駆動前の初期状態の1〜1.1倍の範囲内となるように、維持することができる。
IC=I(002)/(I(002)+I(200)) (1)
によって求められる、セラミック材料の結晶状態を示すC軸配向度ICが、駆動後に、駆動前の初期状態の1〜1.1倍の範囲内となるように、その結晶状態を維持することができる。
IC=I(002)/(I(002)+I(200)) (1)
によって求められる、セラミック材料の結晶状態を示すC軸配向度ICが、駆動後に、駆動前の初期状態の1〜1.1倍の範囲内となるように、その結晶状態を維持することができる。
(圧電アクチュエータの作製)
粒径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て、アクリル系樹脂エマルションと、純水とを配合し、平均粒径10mmのナイロンボールと共に、ボールミルを用いて30時間、混合してスラリーを調製した。次に、前記スラリーを用いて、引き上げ法によって、厚み30μmのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に、圧電セラミック層6、振動板12のもとになる、厚み17〜19μmのグリーンシートを形成した。
厚み100μmのステンレス箔を、金型プレスを用いて打ち抜き加工して、長さ2mm×幅0.18mmの加圧室2が、前記個別電極10の形成ピッチに合わせて、90個ずつ2列に配列された第1基板を作製した。また、厚み100μmのステンレス箔を、同じく金型プレスを用いて打ち抜き加工して、インクジェットプリンタのインク補給部から、各加圧室にインクを供給するための共通供給路と、加圧室2とノズル3とを繋ぐ流路とが、加圧室2の配列に対応させて配列された第2基板を作製した。さらに、厚み40μmのステンレス箔をエッチング加工して、直径26μmのノズル3が、加圧室2の配列に対応させて配列された第3基板を作製した。
実施例1で製造した液体吐出装置1を、高速バイポーラ電源と、ファンクションシンセサイザーとを用いて発生させた駆動電圧波形により、本発明の駆動方法、および従来の、引き打ち式の駆動方法で連続的に駆動させた際の、圧電アクチュエータ7の圧電変形領域8の変位量の推移を測定した。
実施例1で製造した液体吐出装置1を、前記と同様にして発生させた駆動電圧波形により、本発明の駆動方法、および従来の、引き打ち式の駆動方法で、印加する駆動電圧を変化させて駆動させた際の、圧電アクチュエータ7の圧電変形領域8の変位量を、前記と同様にして測定した。駆動周波数は、いずれの駆動方法においても2kHzとした。そして、本発明の駆動方法においては、第1の電圧(−VL)の電圧値〔=第2の電圧(+VL)の電圧値〕と、圧電変形領域8の変位量との関係を、また、従来の、引き打ち式の駆動方法においては、電圧VHと、圧電変形領域8の変位量との関係を、図8にプロットした。その結果、図8に示すように、本発明の駆動方法によれば、同じ変位量を得るために、圧電変形領域に印加する第1および第2の電圧の電圧値を、従来の、引き打ち式の駆動方法において印加する電圧VHの電圧値の、約1/2にできることが確認された。
実施例1で製造した液体吐出装置1の、圧電アクチュエータ7の圧電変形領域8に、第1および第2の電圧のモデルとして、周波数100Hz、振幅−10〜+10Vの三角波、または、周波数100Hz、振幅−20〜+20Vの三角波を印加した際の、電界の強さE(kV/cm)と、圧電セラミック層6の分極量P(μC/cm2)との関係を示すP−Eヒステリシスループを測定した。測定には、(株)東陽テクニカ製の強誘電体特性評価システムFCE−HS2を使用した。その結果、図9に示すように、第1および第2の電圧の電圧値を、圧電アクチュエータ7の圧電変形領域8の電界の強さE(kV/cm)が、圧電セラミック層の抗電界Ecの強さの0.8倍以下となる10Vとした場合には、0.8倍を超える20Vとした場合に比べて、P−Eヒステリシスループを著しく小さくできることが確認された。なお、圧電セラミック層6の厚みは10μmであるので、圧電アクチュエータ7の圧電変形領域8に10Vの電圧を印加した際の、電界の強さE(kV/cm)は10V/0.001cm=10kV/cmである。
実施例1で製造した液体吐出装置1の、圧電アクチュエータ7の圧電変形領域8に、本発明の駆動方法における第1および第2の電圧のモデルとしての、周波数100Hz、振幅−10〜+10Vの三角波、または、従来の、引き打ち式の駆動方法における電圧のモデルとしての、周波数100Hz、振幅0〜+20Vの三角波を印加した際の、電界の強さE(kV/cm)と、圧電セラミック層6の分極量P(μC/cm2)との関係を示すP−Eヒステリシスループを、前記と同様にして測定したところ、図10に示す結果が得られた。図10から、それぞれのP−Eヒステリシスループの面積を測定したところ、本発明の駆動方法におけるP−Eヒステリシスループの面積は、従来の、引き打ち式の駆動方法におけるP−Eヒステリシスループの面積の1.3倍以下である、1.2倍であることが確認された。
実施例1で製造した液体吐出装置1を、前記と同様にして発生させた駆動電圧波形により、本発明の駆動方法、および従来の、引き打ち式の駆動方法で連続的に、10×108サイクル駆動させた後、装置から圧電セラミック層6を取り出し、個別電極10を除去して露出させた活性領域15と非活性領域16の表面に、直径100μmの円形X線ビームをスポット照射して、ブラッグ角2θ=43〜46°の間のX線回折スペクトルを測定した。
その結果、従来の、引き打ち式の駆動方法で駆動させた際には、活性領域15のC軸配向度ICが、初期値の1.5倍、非活性領域16のC軸配向度ICが、初期値の0.7倍と、いずれも、初期値に対して大きく変化しており、結晶状態が変化していることが判った。これに対し、本発明の駆動方法で駆動させた際には、活性領域15のC軸配向度ICが、初期値の1.04倍、非活性領域16のC軸配向度ICが、初期値の1.07倍であってほとんど変化しておらず、初期の結晶状態が維持されていることが確認された。
圧電セラミック層6の厚みを15μm、加圧室2の平面形状を、長さ2.2mm×幅0.65mmとしたこと以外は、実施例1と同様にして、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ7を有する、図1の液体吐出装置1を製造した。圧電セラミック層6の抗電界Ecは17kV/cmであった。
実施例2で製造した液体吐出装置1の、圧電アクチュエータ7の、1つの圧電変形領域8に、図1に示す駆動電圧波形(+VL=+15V、−VL=−15V、駆動周波数1kHz)を印加して、前記圧電変形領域8を、本発明の駆動方法によって駆動させて、対応するノズル3から、先頭滴の速度9m/sの条件で、インク滴を吐出させると共に、前記駆動電圧波形の印加から120μs後にストロボを発光させて、ノズル3の先端から1mmの位置の、インク滴の像を撮影したところ、2滴の、通常サイズのインク滴のみが撮影されたことから、ノイズ振動が発生していないことが確認された。また、駆動させた圧電変形領域8と隣接する圧電変形領域8に対応するノズル3において、同様の撮影を行ったところ、インク滴は撮影されておらず、クロストークが発生していないことが確認された。
Claims (8)
- 液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室に連通しており、前記加圧室内の液体を、液滴として吐出させるためのノズルとを有する複数の液滴吐出部を、面方向に配列させて形成した基板と、
前記基板の複数の前記加圧室を覆う大きさを有しており、少なくとも1層の圧電セラミック層を含んでいる、前記基板に積層されている板状の圧電アクチュエータと、
を備えると共に、前記圧電アクチュエータが、個々の前記加圧室に対応して配設されている、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と、前記圧電変形領域を囲む拘束領域とに区画されている液体吐出装置の駆動方法であって、
前記圧電アクチュエータの任意の前記圧電変形領域に、第1の電圧と、前記第1の電圧と等価で、かつ、逆極性の、第2の電圧とを含む駆動電圧波形を印加し、かつ前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域に、前記駆動電圧波形を印加して駆動させる際の、電界の強さE(kV/cm)と、前記圧電セラミック層の分極量P(μC/cm 2 )との関係を示すP−Eヒステリシスループの面積を、前記圧電変形領域に、前記駆動電圧波形の前記第1および前記第2の電圧の電圧値の2倍の電圧値を有する、単一極性の電圧をオン−オフする駆動電圧波形を印加して駆動させる際の、P−Eヒステリシスループの面積の1.3倍以下にして、前記圧電変形領域を、厚み方向の一方向と、反対方向とに、それぞれ撓み変形させて、対応する前記液滴吐出部の、前記加圧室の容積を変化させることによって、連通している前記ノズルを通して液滴を吐出させることを特徴とする液体吐出装置の駆動方法。 - 前記圧電セラミック層は、PZT系の圧電セラミック材料によって形成されると共に、前記圧電変形領域に対応した活性領域と、前記拘束領域に対応した非活性領域とに区画され、かつ、前記両領域は、共に、X線回折スペクトルのうち[200]面の回折ピークの強度I(200)と、[002]面の回折ピークの強度I(002)とから、式(1):
IC=I(002)/(I(002)+I(200)) (1)
によって求められる、前記圧電セラミック材料のC軸配向度ICが、駆動後に、駆動前の初期状態の1〜1.1倍の範囲内を維持する請求項1記載の液体吐出装置の駆動方法。 - 前記第1および前記第2の電圧の電圧値を、前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域の電界の強さE(kV/cm)が、前記圧電セラミック層の抗電界Ecの強さの0.8倍以下となる電圧値である請求項1または2に記載の液体吐出装置の駆動方法。
- 液滴を吐出させない待機時には、前記圧電変形領域に電圧を印加しない状態を維持する請求項1〜3のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法。
- 前記圧電アクチュエータは、
(i) 厚み方向に電圧が印加されることで面方向に伸縮する、前記圧電変形領域に対応した活性領域と、前記拘束領域に対応した非活性領域とに区画されている1層の前記圧電セラミック層と、
(ii) 前記圧電セラミック層の片側に積層されており、前記活性領域の面方向の伸縮によって厚み方向に撓み変形する振動板と、
を備えており、前記圧電セラミック層の前記活性領域に前記駆動電圧波形を印加して面方向に伸縮させることで、前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域を、厚み方向に振動させる請求項1〜4のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法。 - 前記圧電アクチュエータは、
(I) 厚み方向に電圧が印加されることで面方向に伸縮する、前記圧電変形領域に対応した活性領域と、前記拘束領域に対応した非活性領域とに区画されている第1の圧電セラミック層と、
(II) 前記第1の圧電セラミック層の片側に積層されており、厚み方向に電圧が印加されることで、面方向に伸縮する第2の圧電セラミック層と、
を備えており、前記第1の圧電セラミック層の前記活性領域に前記駆動電圧波形を印加して面方向に伸縮させるのと同期させて、前記第2の圧電セラミック層を、前記活性領域の伸縮と逆の位相で伸縮させることで、前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域を、厚み方向に振動させる請求項1〜4のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法。 - 前記圧電アクチュエータは、電圧が印加されることで厚み方向に撓み変形する、前記圧電変形領域に対応した活性領域と、前記拘束領域に対応した非活性領域とに区画されている1層の前記圧電セラミック層を備えており、前記圧電セラミック層に前記駆動電圧波形を印加することで、前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域を、厚み方向に振動させる請求項1または2記載の液体吐出装置の駆動方法。
- 液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室に連通しており、前記加圧室内の液体を、液滴として吐出させるためのノズルとを有する複数の液滴吐出部を、面方向に配列させて形成した基板と、
個々の前記加圧室に対応して配設され、前記基板の複数の前記加圧室を覆う大きさを有しており、少なくとも1層の圧電セラミック層を含んでいる、前記基板に積層されている板状の圧電アクチュエータであって、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と、前記圧電変形領域を囲む拘束領域とに区画されている圧電アクチュエータと、
を備える液体吐出装置であって、
前記圧電アクチュエータの任意の前記圧電変形領域に、第1の電圧と、前記第1の電圧と等価で、かつ、逆極性の、第2の電圧とを含む駆動電圧波形を印加することによって、前記圧電変形領域を、厚み方向の一方向と、反対方向とに、それぞれ撓み変形させて、対応する前記液滴吐出部の、前記加圧室の容積を変化させ、連通している前記ノズルを通して液滴を吐出させるための電圧印加手段を有し、
前記電圧印加手段が、前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域に、前記駆動電圧波形を印加して駆動させる際に、電界の強さE(kV/cm)と、前記圧電セラミック層の分極量P(μC/cm 2 )との関係を示すP−Eヒステリシスループの面積が、前記圧電変形領域に、前記駆動電圧波形の前記第1および前記第2の電圧の電圧値の2倍の電圧値を有する、単一極性の電圧をオン−オフする駆動電圧波形を印加して駆動させる際の、P−Eヒステリシスループの面積の1.3倍以下になることを特徴とする液体吐出装置。
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