JP2000117971A - 積層圧電型駆動体及びその製造方法並びにインクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動効率が低い。 【解決手段】 積層圧電型駆動体２１の不活性部ｂを一
方の端側に形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層圧電型駆動体及びそ
の製造方法並びにインクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の
画像形成装置として用いるインクジェット記録装置にお
いて、インク滴を吐出する複数のノズルと、各ノズルが
連通する圧力室と、各圧力室内にインク滴吐出のための
圧力を加える圧力発生手段とを備えたピエゾアクチュエ
ータ方式のインクジェットヘッドを搭載し、ヘッドの圧
電型駆動体素子を印字データに応じて駆動することで所
要のノズルからインク滴を吐出させて用紙に画像を記録
するものがある。

【０００３】そして、このピエゾアクチュエータ方式の
インクジェットヘッドには積層型圧電素子（積層圧電型
駆動体）を用いるものがある。従来の積層型圧電素子
は、その電極形成において、主として二通りの方式が用
いられている。

【０００４】第１の方式は、図１１に示すように、圧電
体１０１と内部電極１０２及び内部電極１０３とを交互
に積層し、内部電極１０２は一方の端面に引出して端面
電極（外部電極）１０４に接続し、内部電極１０３は他
方の端面に引出して端面電極（外部電極）１０５に接続
する（例えば、特開平８−３３２７２５号公報等）。

【０００５】 ここで、内部電極１０２と内部電極１０
３がオーバーラップしている領域ａは、内部電極１０２
と内部電極１０３間に電位を与えることで圧電体１０１
に電位が加えられる活性部（活性領域）となるが、両端
の内部電極１０２，１０３のいずれか一方のみ存在して
いる領域ｂは、不活性領域となる。そして、この場合、
同図に示すように左側に出ている内部電極１０２に正
（プラス）の電位を、右側に出ている内部電極１０３の
負（ＧＮＤ）の電位を与えるために、圧電素子の両端面
に外部電極１０４，１０５を設けることで、各層の内部
電極に対して一括して電位を与えるようにしている。

【０００６】第２の方式は、図１２に示すように、内部
電極１０２，１０３は正負共に圧電体１０１の両端にま
で達する構成としている。このため、不活性領域ｂは形
成されず、全体が活性領域ａとなる。この構造では、単
に、圧電素子の端面に外部電極１０４，１０５を形成す
るのみでは正負の外部電極１０４，１０５を独立して接
続することができないため、外部電極１０４，１０５端
に絶縁領域１０６を形成し、一側面では一方の極性の電
位のみ接続される形態としている。

【０００７】また、これらの各方式とは別に、特開平６
−３１２５０５号公報に記載されているように、各層の
活性領域の電極長さを変えて変位量を調整し、表面変位
を安定化するようにしたもの、或いは特開平６−１８８
４７４号公報に記載されているように、活性領域／非活
性領域の幅のサイズを限定し、同じく特性の安定化を図
るようにしたものもある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、上述
した第１の方式のように圧電体の活性部領域の両側に不
活性部（不活性領域）を設けるものにあっては、加工が
容易で特に微細なアレイ構造を作り易いという利点があ
るものの、不活性部が存在するために圧電体の変位が抑
えられ、その分、効率が低下することから、十分な変位
を得るために、印加電圧を上げたり、或いは積層数を増
やすなどの対策が必要になる。そのため、消費電力が大
きくなり、製造コストが高くなる。

【０００９】また、第２の方式のように圧電体の全面を
活性領域とするものにあっては、駆動変位量を十分に得
ることができるという利点があるものの、一層毎に表面
を絶縁しなければならないため、微細加工が難しく、特
にインクジェットヘッドの圧力発生手段として用いるこ
とが難しい。また、伸縮する活性領域表面に外部電極及
び絶縁部等を配置するために、駆動効率の低下等が生じ
る。

【００１０】さらに、各層の活性領域の電極長さを変え
て変位量を調整するようにしたものにあっては、中央層
において活性層が減少するために、駆動効率が更に低下
し、活性領域／非活性領域の幅のサイズを限定するもの
にあっては、両端に不活性層が存在していることが前提
であるために、やはり駆動効率が低下する。

【００１１】 本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
であり、駆動効率の高い積層圧電型駆動体及びその製造
方法並びにインクジェットヘッドを提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】 上記の課題を解決する
ため、請求項１の積層圧電型駆動体は、圧電材料からな
る圧電体層と内部電極とを交互に積層し、前記内部電極
の有無により電圧印加で伸縮を行う活性部と伸縮の起こ
らない不活性部を構成した積層圧電型駆動体において、
前記不活性部が駆動体の一方の端のみに存在している構
成とした。

【００１３】請求項２の積層圧電型駆動体は、上記請求
項１の積層圧電型駆動体において、各層間に配置された
前記内部電極は、前記活性部では圧電体層上下の全面に
配置し、前記不活性部では前記圧電体層に対し上下面と
も圧電体面積の１／２を越えない領域で、かつ連続する
２つの内部電極を伸縮方向に投影した状態で両者が重な
らない領域に配置した構成とした。

【００１４】請求項３の積層圧電型駆動体は、上記請求
項２の積層圧電型駆動体において、前記不活性部の外側
面に前記内部電極に電位を与えるための外部電極を付設
した構成とした。

【００１５】請求項４の積層圧電型駆動体は、上記請求
項３の積層圧電型駆動体において、前記活性部の表面に
は導電体が配置されていない構成とした。

【００１６】請求項５のインクジェットヘッドは、イン
ク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する圧力室と、
圧力室にインク滴吐出のための圧力を加える圧力発生手
段とを備えるインクジェットヘッドにおいて、前記圧力
発生手段に前記請求項１乃至４のいずれかの積層圧電型
駆動体を用いた構成とした。

【００１７】請求項６の積層圧電型駆動体の製造方法
は、上記請求項１乃至４のいずれかの積層圧電型駆動体
を製造する製造方法において、各層の内部電極の平面形
状を櫛歯状に形成し、圧電型駆動体に焼成後、基板に貼
り付けて複数の積層圧電型駆動体に分割する構成とし
た。

【００１８】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施の形態を添
付図面を参照して説明する。図１は本発明に係る積層圧
電型駆動体を用いたインクジェットヘッドの一例を示す
分解斜視図である。このインクジェットヘッドは、セラ
ミック、ガラスエポキシ樹脂等からなる絶縁性の基板１
上に、本発明に係る積層圧電型駆動体である複数の圧電
素子２を配列して接合し、駆動ユニット３を構成してい
る。

【００１９】 そして、この駆動ユニット３上に、Ｎi
電鋳工法等で製造した振動板４、感光性樹脂フィルム
（ＤＦＲ）等からなる液室隔壁部材５、及びノズル６を
形成したＮi電鋳工法等で製造したノズル形成部材７を
順次積層して接合した液室ユニット８を接合している。

【００２０】この液室ユニット８の振動板４、液室隔壁
部材５及びノズル形成部材７によって、各圧電素子２に
対応する圧力室１０と、圧力室１０の両側に位置する共
通インク室１１と、各共通インク室１１から圧力室１０
にインクを供給するインク供給路１２を形成している。
そして、共通インク室１１にインクを供給するためにイ
ンク供給パイプ１３を接続している。このインク供給パ
イプ１３は図示しないインクカートリッジに接続され
る。

【００２１】 これらの駆動ユニット３及び液室ユニッ
ト８を接合してなるインクジェットヘッドは、ヘッドケ
ース１４内に収容し、このヘッドケース１４内には圧電
素子２を画像信号に応じて駆動するための駆動回路１５
も収容している。この駆動回路１５からは、共通信号ラ
イン１６を通じて複数の圧電素子２，２……の共通電極
に対して共通電圧を印加し、選択信号ライン１７を通じ
て複数の圧電素子２，２……の各選択電極に対して画像
信号に応じた選択信号を印加して、画像信号に応じて複
数の圧電素子２，２……を選択的に駆動する。

【００２２】このインクジェットヘッドの作用について
説明しておくと、圧力室１０の定常状態では、インクの
表面張力によるメニスカスがノズル６のインク吐出側に
形成され、インクの表面張力とインク内圧が平衡してい
る。この状態で、画像信号に応じて圧電素子２の選択電
極に駆動波形（１０〜５０Ｖのパルス電圧）を印加する
ことによって、圧電素子２に積層方向の変位が生起し、
振動板４を介して圧力室１０内容積が減少し、圧力室１
０内圧力が上昇してノズル６からインク滴が吐出され
る。

【００２３】そして、インク滴吐出の終了に伴い、圧力
室１０内のインク圧力が低減し、インクの流れの慣性と
駆動パルス（駆動波形）の放電過程によって圧力室１０
内に負圧が発生してインク充填行程へ移行する。このと
き、インクカートリッジからインク供給パイプ１３を介
して供給されるインクは共通インク室１１に流入し、共
通インク室１１からインク供給路１２を経て圧力室１０
内に充填される。そして、ノズル６の出口のインクメニ
スカス面の振動が減衰し、ある程度定常状態に戻れば次
のインク滴吐出動作に移行する。

【００２４】そこで、上述したインクジェットヘッドの
圧電素子として用いている本発明に係る積層圧電型駆動
体について図２以降をも参照して説明する。なお、イン
クジェットヘッドに用いている複数の圧電素子２はスリ
ット加工によって複数個に分割したものであり、スリッ
ト加工前は１枚のシート状（若しくはプレート状）に形
成した圧電素子を形成している。したがって、ここで
は、１つの積層圧電型駆動体の構成として説明する。

【００２５】先ず、本発明に係る積層圧電型駆動体の第
１実施例について図２乃至図６を参照して説明する。な
お、図２は同駆動体の断面説明図、図３は同駆動体の平
面説明図、図４は同駆動体の側面説明図、図５及び図６
は２つの内部電極の各平面説明図である。

【００２６】この積層圧電型駆動体２１は、例えば厚さ
１０〜５０μｍ／１層のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）からなる圧電体層２２と、厚さ数μｍ／１層の銀・
パラジューム（ＡgＰd）からなる内部電極２３及び内部
電極２４とを交互に積層し、外部電極（端面電極）を確
保する不活性部ｂを駆動体２１の一方の端部側のみに配
置し、活性部ａを他方の端まで形成して、同一端面に外
部電極である端面電極２５，２６を形成している。

【００２７】ここで、内部電極２３の平面形状は、図５
に示すように、活性部ａとする領域では圧電体層２２の
全面に対応する領域２４ａを有し、不活性部ｂとする領
域では不活性部ｂの面積の１／２を越えない領域を有す
る幅狭の端部２３ｂを形成し、また、内部電極２４の平
面形状も、図６に示すように、活性部ａとする領域では
圧電体層２２の全面に対応する領域２４ａを有し、不不
活性部ｂとする領域では不活性部ｂの面積の１／２を越
えない領域を有する幅狭の端部２４ｂを形成している。

【００２８】そして、これらの内部電極２３、２４は、
駆動体２１を伸縮方向に投影した場合、不活性部ｂを形
成する領域では端部２３ａと端部２４ａとが重ならない
状態で圧電体層２２の上下面に配置する。したがって、
駆動体２１の伸縮方向に投影した状態で内部電極２３、
２４がオーバーラップしていない部分では、内部電極２
３，２４間に電位を加えても圧電体層２２が伸縮せず、
駆動体２１の不活性部ｂとなり、その他の部分では内部
電極２３、２４が重なるので電位を加えることで伸縮す
る活性部ａとなる。

【００２９】そして、この場合、駆動体２１の不活性部
ｂの端面では図４に示すように内部電極２３、２４が交
互に露出するので、駆動体２１の不活性部ｂの外側面で
ある端面において端面電極２５、２６を形成している。
これらの端面電極２５、２６への駆動波形の供給は基板
１を通じて行なうことができるので、活性部ａの領域で
は外部電極等の導電体を配置していない。

【００３０】このように、圧電材料からなる圧電体層２
２と内部電極２３、２４とを交互に積層し、内部電極２
３、２４の有無により電圧印加によって伸縮を行う活性
部ａと伸縮の起こらない不活性部ｂを構成し、このとき
不活性部ｂを駆動体２１の一方の端側のみに存在させる
ようにしたので、活性領域（活性部）の駆動効率が低下
することがなく、不活性部を形成できる。

【００３１】この場合、内部電極２３、２４は、活性部
ａでは圧電体層２２上下の全面に配置し、不活性部ｂで
は圧電体層２２の上下に圧電体面積の１／２以下の領域
を越えない領域に配置して、かつ連続する２つの内部電
極２３、２４面を駆動体２１の伸縮方向に投影した状態
で両者が重ならないようにしているので、不活性部ｂに
正負両電極の電位を取るための外部電極（端面電極）を
配置することができる。

【００３２】これにより、活性部ａ領域の表面には導電
体が配置されていない構成にすることができて、活性部
の駆動効率が低下せず、加工も容易になる。

【００３３】次に、本発明に係る積層圧電型駆動体の第
２実施例について図７及び図８を参照して説明する。な
お、図７は同駆動体の平面説明図、図８は同駆動体の側
面説明図である。この実施例では、外部電極２４、２５
を駆動体２１の不活性部ｂの長手方向端面と直交する方
向の側面に設けている。このようにしても、上記第１実
施例と同様の作用効果を得ることができる。

【００３４】次に、本発明に係る積層圧電型駆動体の製
造方法について図９を参照して説明する。同図（ａ）に
示すような平板状の圧電体層３２の上下面に、同図
（ｂ）に示すように分割後端部２３ｂとなる複数の部分
３３ｂを櫛歯状に形成した内部電極形成部材３３と、同
図（ｃ）に示すように分割後端部２４ｂとなる複数の部
分３４ｂ（部分３３ｂとは千鳥状の関係になる）を櫛歯
状に形成した内部電極形成部材３４とを交互に積層して
焼成した後、基板上に固定し、ダイシングソーなどの切
断装置を用いて、同図にｅで示す切断領域を切断するこ
とで領域ｄの部分のみが残り、複数の圧電体層２２、内
部電極２３及び内部電極２４に分割されて、基板上に個
々の駆動体２１（圧電素子２）を形成する。

【００３５】このように、各層の内部電極の平面形状を
櫛歯状に形成し、圧電型駆動体に焼成後、基板に貼り付
けて複数の積層圧電型駆動体に分割することによって、
インクジェットヘッドに適した駆動素子（圧電素子）を
容易に形成することができる。

【００３６】次に、本発明に係る積層圧電型駆動体と図
１０に示す両端に不活性部を形成した駆動体（比較例
１）及び図１１に示す不活性層を全く配置しない駆動体
（比較例２）の各変位量の最大値の比較を行なった。

【００３７】ここで、各駆動体は、その活性部（圧電体
層）を１４層形成し、各々の厚みは３５μｍとした。ま
た、この１４層の上下面には不活性部が形成され、総合
で厚みは ６７５μｍ である。活性部の長さは２０００
μｍ、幅は１００μｍとしている。不活性部の長さは０
又は３００μｍである。内部電極は厚み５μｍである。
素子はｄ３３方向の変位で、圧電定数は ６．０３×１
０‐１０ｍ／Ｖ、密度は ８０００ｋｇ／ｍ³、ポアソン
比は０．３６となっている。

【００３８】比較の結果は、表１に示すとおりである。

【００３９】

【表１】

【００４０】この結果から、本発明を従来技術（比較例
１、２）と比較した場合、まず、両端に不活性層を形成
した比較例１に対してはより大きな変位量を確保するこ
とができ、優位性を示している。また、活性層のみの構
成となる比較例１との比較では変位量の最大値が同じで
ある。したがって、駆動効率は活性層の不活性部のない
場合と変わらず、より微細加工に適した駆動体を得るこ
とができることが分かる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の積層圧
電型駆動体によれば、圧電材料からなる圧電体層と内部
電極とを交互に積層し、伸縮の起こらない不活性部を駆
動体の一方の端のみに存在させた構成としたので、活性
部の駆動効率を高くすることができる。

【００４２】請求項２の積層圧電型駆動体によれば、上
記請求項１の積層圧電型駆動体において、各層間に配置
された前記内部電極は、前記活性部では圧電体層上下の
全面に配置し、前記不活性部では前記圧電体層に対し上
下面とも圧電体面積の１／２を越えない領域に配置し
て、かつ連続する２つの内部電極を伸縮方向に投影した
状態で両者が重ならない構成としたので、不活性部に外
部電極を配置することができる。

【００４３】請求項３の積層圧電型駆動体によれば、上
記請求項２の積層圧電型駆動体において、前記不活性部
に内部電極に電位を与える外部電極を設けた構成とした
ので、活性部の駆動効率が低下することがなくなる。

【００４４】請求項４の積層圧電型駆動体によれば、上
記請求項３の積層圧電型駆動体において、前記活性部領
域の表面には導電体が配置されていない構成としたの
で、活性部の駆動効率が低下することなく、加工も容易
になる。

【００４５】請求項５のインクジェットヘッドによれ
ば、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する圧
力室と、圧力室にインク滴吐出のための圧力を加える圧
力発生手段とを備えるインクジェットヘッドにおいて、
前記圧力発生手段に前記請求項１乃至４のいずれかの積
層圧電型駆動体を用いた構成としたので、駆動効率の高
い効率的なインクジェットヘッドを得ることができる。

【００４６】請求項６の積層圧電型駆動体の製造方法に
よれば、上記請求項１乃至４のいずれかの積層圧電型駆
動体を製造する製造方法において、各層の内部電極の平
面形状を櫛歯状に形成し、圧電型駆動体に焼成後、基板
に貼り付けて複数の積層圧電型駆動体に分割する構成と
したので、容易に駆動効率の高い圧電型駆動体を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る積層圧電型駆動体を用いたインク
ジェットヘッドの一例を示す分解斜視図

【図２】本発明の第１実施例に係る積層圧電型駆動体の
断面説明図

【図３】同駆動体の平面説明図

【図４】同駆動体の側面説明図

【図５】同駆動体の一方の内部電極の平面説明図

【図６】同駆動体の他方の内部電極の平面説明図

【図７】本発明の第２実施例に係る積層圧電型駆動体の
平面説明図

【図８】同駆動体の側面説明図

【図９】本発明に係る積層圧電型駆動体の製造方法の説
明に供する説明図

【図１０】従来の積層圧電型駆動体を示す断面説明図

【図１１】従来の他の積層圧電型駆動体を示す断面説明
図

【符号の説明】

１…基板、２…圧電素子、３…駆動ユニット、４…振動
板、５…液室隔壁部材、６…ノズル、７…ノズル形成部
材、８…液室ユニット、１０…圧力室、２１…積層圧電
型駆動体、２２…圧電体層、２３、２４…内部電極、２
５，２６…外部電極。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電材料からなる圧電体層と内部電極と
   を交互に積層し、前記内部電極の有無により電圧印加で
   伸縮を行う活性部と伸縮の起こらない不活性部を構成し
   た積層圧電型駆動体において、前記不活性部が駆動体の
   一方の端のみに存在していることを特徴とする圧電型駆
   動体。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の積層圧電型駆動体にお
   いて、各層間に配置された前記内部電極は、前記活性部
   では圧電体層上下の全面に配置し、前記不活性部では前
   記圧電体層に対し上下面とも圧電体面積の１／２を越え
   ない領域で、かつ連続する２つの内部電極を伸縮方向に
   投影した状態で両者が重ならない領域に配置したことを
   特徴とする圧電型駆動体。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の積層圧電型駆動体にお
   いて、前記不活性部の外側面に前記内部電極に電位を与
   える外部電極を付設したことを特徴とする圧電型駆動
   体。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の積層圧電型駆動体にお
   いて、前記活性部の表面には導電体が設けられていない
   ことを特徴とする圧電型駆動体。
5. 【請求項５】 インク滴を吐出するノズルと、ノズルが
   連通する圧力室と、圧力室にインク滴吐出のための圧力
   を加える圧力発生手段とを備えるインクジェットヘッド
   において、前記圧力発生手段に前記請求項１乃至４のい
   ずれかに記載の積層圧電型駆動体を用いたことを特徴と
   するインクジェツトヘッド。
6. 【請求項６】 請求項１乃至４のいずれかに記載の積層
   圧電型駆動体を製造する製造方法において、各層の内部
   電極の平面形状を櫛歯状に形成し、圧電型駆動体に焼成
   後、基板に貼り付けて複数の積層圧電型駆動体に分割す
   ることを特徴とする積層圧電型駆動体の製造方法。