JP2003051627A - 圧電型駆動体及びその製造方法、圧電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 駆動効率が高く、特性変動要因が少ない積層
圧電型駆動体およびその製造方法、圧電型アクチュエー
タ、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置を提供す
る。 【解決手段】圧電体層１１は、圧電体層１１と内部電極
１２，１３とを交互に複数層積層配置し、かつ、各圧電
体層１１は、１層毎に千鳥状にずらして配置し、積層面
の一部（領域Ｃ）は隣接する圧電体層１１と接していな
いので、領域Ｃの部分によって空間１７を形成する。各
圧電体１１および内部電極１２，１３の一端部には、そ
れぞれ内部電極１２，１３に接続した外部電極１４，１
５を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液滴吐出ヘッド及びイン
クジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プ
ロッタ等の画像記録装置（画像形成装置）として用いる
インクジェット記録装置は、インク滴を吐出するノズル
と、このノズルが連通する液室（インク流路、吐出室、
圧力室、加圧液室、流路等とも称される。）と、この液
室内のインクを加圧するための駆動手段（圧力発生手
段）とを備えた液滴吐出ヘッドとしてのインクジェット
ヘッドを搭載したものである。なお、液滴吐出ヘッドと
しては例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐
出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出
ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを
中心に説明する。

【０００３】インクジェットヘッドとしては、液室内の
インクを加圧する圧力を発生するための駆動手段として
圧電素子などの電気機械変換素子を用いて、駆動手段の
変位で液室の壁面を形成する弾性変形可能な振動板を変
形させて液室内容積／圧力を変化させてインク滴を吐出
させるいわゆるピエゾ型のものが知られている（特開平
２−５１７３４号公報参照）。

【０００４】このインクジェットヘッドは、圧電素子を
充放電することで変形させ、圧電素子に当接した振動板
を変位させ、振動板が加圧液室の容積を収縮するように
変位することで加圧液室内部の圧力が上昇し、インク滴
をノズルから吐出させるものであり、インク滴を吐出し
た後は、加圧液室の容積を膨張させるように振動板に変
位を与えるべく、圧電素子を変形させる。

【０００５】このようなインクジェットヘッドの圧電素
子として積層型圧電素子（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、一般に、主として次のの二通りの方式のいずれ
かが用いられている。

【０００６】第１の方式の圧電型駆動体は、図２１に示
すように、圧電体２０１と内部電極２０２及び内部電極
２０３とを交互に積層し、内部電極２０２は一方の端面
に引き出して端面電極（外部電極）２０４に接続し、内
部電極２０３は他方の端面に引き出して端面電極（外部
電極）２０５に接続する。

【０００７】この圧電型駆動体においては、内部電極２
０２と内部電極２０３がオーバーラップしている領域ｂ
は、内部電極２０２と内部電極２０３間に電位を与える
ことで圧電体２０１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２０２、２０３のいずれ
か一方のみ存在している領域ａは、不活性領域となる。

【０００８】この場合、同図で左側に出ている内部電極
２０２に正（プラス）の電位を、右側に出ている内部電
極２０３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２０４、２０５を設けることで、
各層の内部電極２０２、２０３に対して一括して電位を
与えるようにしている。そして、電位が与えられること
によって、活性部が圧電作用によって変形し、結果とし
て積層方向に変位が発生し、駆動力となる。

【０００９】第２の方式の圧電型駆動体は、図２２に示
すように、内部電極２０２、２０３は正負ともに圧電体
２０１の両端にまで達する構成とする。このため、不活
性領域ａは形成されず、全体が活性領域ｂとなる。この
構造では、単に、圧電素子の端面に外部電極２０４，２
０５を形成するのみでは正負の外部電極２０４，２０５
を独立して接続することが出来ないため、外部電極２０
４、２０５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が内部電極２０２、２０３に接続さ
れる構造としている。

【００１０】以上２つの方式が、積層型圧電素子として
広く用いられている形式であるが、その他にも、例えば
特開平２０００−０２５２２７号公報に記載されている
ように、圧電素子の両端に支持板を取り付けることによ
り、被駆動体に対する位置決め精度を向上させるもの、
特開平０６−１８８４７４号公報に記載されているよう
に、内部電極の加工精度が低いことに起因する特性ばら
つきを抑えるため、不活性領域の幅を活性領域の幅に対
し１／２以上と広く取ったもの、特開平１１−０４８４
７９号公報に記載されているように、不活性領域の一部
に切欠き部を形成し、活性領域に対する不活性領域の比
率を下げることにより、変位効率を向上させたもの、及
び特開平１１−３４８２７６号公報に記載されているよ
うに、圧電型駆動体の基板への取り付け（固定）を不活
性部のみを用いて行うことにより、活性部に発生するひ
ずみが基板に伝わることを抑え、相互干渉を抑制を試み
たものもある。

【００１１】

【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の方式の圧電型駆動体のように、圧電体の活性領
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、加工が容易でインクジェットヘッドとして必要な
微細なアレイ構造を作りやすいという利点があるが、次
のような課題がある。

【００１２】すなわち、第１に、不活性部が存在するた
めに圧電体の変位が抑えられ、その分だけ効率が低下す
るため、十分な変位を得るために、印加電圧を上げた
り、或いは積層数を増加するなどしなければならず、消
費電力の増大、コスト高を招くことになる。

【００１３】第２に、内部電極形成時の加工精度の高精
度化が困難である。即ち、内部電極は圧電体の活性部と
不活性部を区別する重要な構成要素であるが、その加工
精度を上げることは難しく、寸法誤差が生じやすい。

【００１４】この点について、インクジェットヘッドに
適用した場合を例に図２３を参照して説明する。圧電素
子をインクジェットヘッドに適用する場合、通常、最初
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、各ヘッド（ビット）位置に対応してスリット加
工により複数個に分割して用いる。図２３では簡易的に
１枚のシート状の圧電素子を、１２の領域（ヘッド）に
分割した場合を示している。また、実際は圧電素子は積
層されているが、ここではその中の一層のみを取り出し
た図となっている。

【００１５】この場合、同図（ａ）に示すように、電極
１１１がビット列方向に対して不均一であると、結果と
して、同図（ｂ）、（ｃ）に示すように、各ヘッドに対
する駆動素子の活性領域の幅ｂが異なることとなり、同
じ電位を与えても、発生する変位量に差が生じてしま
う。このため、各ヘッドの振動板に加えられる変位力に
ばらつぎが生じ、これが吐出特性のばらつきとなって画
像品質の低下を招くことになる。

【００１６】第３に、図２１における外部電極２０４及
び２０５に圧電体の伸縮運動によるストレスが掛かるこ
とにより、外部電極が破断してしまうおそれがある。特
に、印刷速度を向上させるためにノズル数を増大させる
と、ノズルピッチを増大させる必要が生じ、結果として
１ビット当たりの圧電素子の幅が狭くなり、電極幅も狭
くなる。また、印字速度向上のためには、高周波駆動も
要求されるようになり、これによって電極面に加わるス
トレスも高周波の伸縮となり、より破断しやすくなる。

【００１７】第４に、圧電型駆動体を用いたアクチュエ
ータはインクジェットヘッドの圧力発生手段として、他
の静電方式等に比べ、より大きな変位を容易に得ること
ができ、またその制御も容易であるという利点がある
が、極めて強い伸縮力が、圧電型駆動体を固定する基板
面にも伝わり、これを変形させてしまうことがある。こ
の基板の変形は、そのまま隣接ビットの駆動体に伝わ
り、その駆動特性に影響を及ぼすようになる。即ち、相
互干渉が発生するようになる。

【００１８】すなわち、従来の積層圧電型駆動体を基板
に取り付けた場合、図２４に示すように、圧電体２０１
が直接基板２１０に接するため、駆動時に圧電体に発生
するひずみが直接基板２１０に伝達される。そのため、
基板２１０にひずみが発生し、このひずみが隣接する別
の積層圧電型駆動体に伝わることによって、隣接する積
層圧電型駆動体の駆動特性に影響を及ぼすようになり、
インクジェットヘッドに適用した場合に結果として隣接
ビットの影響により吐出特性が安定しない相互干渉が発
生してしまうおそれがある。

【００１９】これらの課題のうち、第１、第２の課題に
ついては、上述した図２２で説明した第２の方式の圧電
型駆動体の構成で解決を図ることができる。すなわち、
この圧電型駆動体は、圧電体の全面を活性領域とするた
めに、変位効率の低下が無く、また内部電極も圧電体全
体に形成すれば良く、形成領域を精度良く制御する必要
がないという利点がある。しかしながら、第２の方式に
圧電型駆動体にあっては、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とい
う課題がある。

【００２０】また、特開平０６−１８８４７４号公報に
記載されているように、不活性部の幅を十分に広く取る
ことによって第２の課題を改善することができ、また、
この構造においては、圧電体端部が活性部から離れるた
め、第３の課題に対しても効果があると考えられる。し
かしながら、このように不活性部の幅を十分に広く取る
ことは、不活性部が広がることであり、第１の課題が更
に大きくなるという課題が生じる。

【００２１】さらに、特開平１１−０４８４７９号公報
に記載されているように不活性領域の形成領域を活性領
域に対し狭くすることで第１の課題を改善することが考
えられる。しかしながら、この場合には、外部電極の幅
が狭くなってしまうため、第３の課題が大きくなる。ま
た、不活性部が残っているため、第１の課題も完全に改
善することは難しい。

【００２２】さらにまた、特開平１１−３４８２７６号
公報に記載されているように、圧電型駆動体の活性領域
を基板から分離して配置することで第４の課題を改善す
ることができるが、他の第１〜第３の課題については何
ら改善されない。

【００２３】本発明は上記の課題に鑑みてなされたもの
であり、駆動効率が高く、特性変動要因が少ない積層圧
電型駆動体及びその製造方法、圧電型アクチュエータ、
液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置を提供する
ことを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る圧電型駆動体は、圧電体層を１層毎に
千鳥状にずらして配置し、積層面の一部を隣接する圧電
体層と接していない構成としたものである。

【００２５】ここで、圧電体層には隣接する圧電体層と
接していない領域を含めて内部電極が形成されているこ
とが好ましい。また、隣接する圧電体層に接しない２つ
の圧電体層間に形成される空間には圧電体層よりも弾性
率の低い部材が充填されていることが好ましい。この場
合、充填される部材の弾性率が、１×１０^１０Ｎ／ｍ ^２
以下であることが好ましい。

【００２６】また、圧電体層の両端部に圧電体と同等又
はそれ以上の弾性率（Ｎ／ｍ^２）を有する支持部材を取
り付けることが好ましい。この場合、支持部材の圧電体
層と接する面に内部電極に接続する電極面を形成するこ
とが好ましい。また、支持部材の長さは積層体全体の積
層方向長さよりも長いことが好ましい。

【００２７】本発明に係る圧電型駆動体の製造方法は、
請求項１乃至７の圧電型駆動体を製造する方法であっ
て、圧電体層毎に内部電極を含めて焼成した後、各圧電
体層を積層するものである。

【００２８】また、本発明に係る圧電型駆動体の製造方
法は、請求項３又は４の圧電型駆動体を製造する方法で
あって、圧電体層を積層した後に圧電体層よりも弾性率
の低い部材を充填するものである。この場合、圧電体層
よりも弾性率の低い部材を充填した後、圧電体層の両端
部に圧電体と同等又はそれ以上の弾性率（Ｎ／ｍ^２）を
有する支持部材を取り付け、この支持部材を充填した部
材で固定することが好ましい。

【００２９】本発明に係る圧電型アクチュエータは、可
動部分とこの可動部分を駆動する本発明に係る圧電型駆
動体とを備えたものである。

【００３０】本発明に係る液滴吐出ヘッドは、本発明に
係る圧電型駆動体を圧力室に液滴吐出のための圧力を発
生させる圧力発生手段に含むものである。

【００３１】本発明に係るインクジェット記録装置は、
インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして本発明
に係る液滴吐出ヘッドを搭載したものである。

【００３２】

【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。先ず、本発明の第１実施形態
に係る圧電型駆動体について図１を参照して説明する。
この圧電型駆動体１は、圧電材料からなる圧電体層１１
と内部電極１２、１３とを交互に複数層積層配置し、且
つ、各圧電体層１１は１層毎に千鳥状にずらして積層し
ている。

【００３３】すなわち、各圧電体層１１は、積層面の一
部（図中の領域ｃ）が積層面であっても上側又は下側の
圧電体層１１と接しておらず、１層置きに対向する圧電
体層１１、１１の領域ｃの部分によって空間１７が形成
されている。そして、各圧電体層１１及び内部電極１
２、１３の一端部には、それぞれ内部電極１２、１３に
接続した外部電極１４、１５を設けている。この内部電
極１２、１３は各圧電体層１１の全面に形成しないで、
各圧電体層１１の空間１７に臨む側の端部１１ａ部分に
は内部電極１２、１３を設けない構成としている。

【００３４】ここで、圧電体層１１は、例えば厚さ１０
〜５０μｍ／１層のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等
の圧電材により形成され、内部電極１２及び１３は厚さ
数μｍ／１層の銀・パラジューム（ＡｇＰｄ）等の金属
材によって形成しているが、これに限るものではない。

【００３５】また、この圧電型駆動体１をインクジェッ
トヘッドの圧力発生手段として用いる場合、例えば内部
電極１２と１３が対向しない不活性部（領域）ａの幅は
１００〜５００μｍ、内部電極１２、１３が対向する活
性部（領域）ｂの幅は１０００〜３０００μｍ、積層数
は１０〜１５層が一般的な寸法となるが、これに限るも
のではない。

【００３６】このように構成した圧電型駆動体１におい
ては、従前の積層圧電型駆動体に比べて、不活性部ａが
積層方向に非連続な構成（空間１７を介在する構成）と
なるので、変形しやすくなる。これにより、活性部ｂで
発生するひずみを吸収することができ、結果として活性
部ｂの伸縮動作を抑制しにくくなっている。

【００３７】このため、活性部ｂはより自由度の高い伸
縮が行われ、これによって同じ電界が印加された場合で
も、図２１で説明した従前の積層圧電型駆動体に比べ
て、より大きな変位量を得ることができるので、より効
率的な駆動を行うことができ、消費電力も抑えることが
できる。

【００３８】次に、本発明の第２実施形態に係る圧電型
駆動体について図２を参照して説明する。この圧電型駆
動体２１は、各圧電体層１１の全面にわたって内部電極
１２、１３を形成したものである。すなわち、各圧電体
層１１の端部１１ａ部分にも内部電極１２、１３を形成
することで、圧電体層１１には隣接する圧電体層１１と
接していない領域を含めて内部電極１２又は１３を形成
した。その他の構成は第１実施形態の圧電型駆動体１と
同様である。

【００３９】このように構成すれば、非活性部ａの各圧
電体層１１は各層毎に完全に分離され、連続している部
分がないため、活性部ｂで発生するひずみをより吸収し
やすくなり、それによって、より効率的に駆動できるよ
うになる。また、圧電体層の全面に内部電極を形成する
ことができることにより、前述した図２３で説明したよ
うな内部電極の寸法ずれが発生することがなくなり、特
性ばらつきを抑えることができる。

【００４０】次に、本発明の第３実施形態に係る圧電型
駆動体について図３を参照して説明する。この圧電型駆
動体３１は、上記第２実施形態の圧電型駆動体２１の空
間１７に、圧電体層１１よりも弾性率が小さい部材であ
る充填材１８を充填したものである。なお、第１実施形
態の圧電型駆動体２１の空間１７に充填材１８を充填し
た構成とすることもできる。

【００４１】このように構成したので、外部電極１４、
１５を形成する端面が連続的な平坦面になることから、
外部電極１４、１５の断線が起こりにくくなる。また、
積層された各圧電体層１１間の密着性も向上し、より強
固な構造となる。

【００４２】このとき、活性領域ｂで発生するひずみを
容易に吸収できるようにする必要から、充填材１８の弾
性率は、圧電体層１１よりも低くする必要があり、例え
ばエポキシ材等が好ましいが、これに限るものではな
い。

【００４３】また、この充填材１８の弾性率は、１×１
０^１０Ｎ／ｍ^２以下のものであることがより好ましい。
すなわち、この充填材１８として、弾性率を変えた部材
を使って発生する駆動力の差を駆動方向の発生変位量と
して測定した。

【００４４】ここでは、積層圧電型駆動体３１は、圧電
体層１１をＰＺＴ、内部電極１２及び１３をＡｇＰｔ、
外部電極１４及び１５を銀ペーストにて構成した。充填
材１８は、その弾性率を１×１０¹⁹（Ｎ／ｍ²）から１
×１０¹²（Ｎ／ｍ²）まで変えた材料で比較している。
寸法は、不活性部の幅ａを３００μｍ、活性部ｂの幅を
２０００μｍとし、各層の厚さは圧電体層１１が３５μ
ｍ、内部電極１２及び１３を３μｍとしている。圧電型
駆動体は１５０ｄｐｉのインクジェットヘッドに適用す
ることを想定し、図６において紙面に垂直方向の圧電体
層１１の幅は９９μｍとしている。

【００４５】そして、この積層圧電型駆動体３１を、Ｂ
ａＴｉＯ₃にて構成し、圧電体に比べて十分に大きい体
積を持つ基板に取り付けた状態で、２５Ｖの電圧をかけ
て、その積層方向の変位発生量を比較した。この比較結
果を表１に示している。

【００４６】

【表１】

【００４７】この表１から分かるように、充填材１８の
弾性率が１×１０¹⁰Ｎ／ｍ²以下となると、変位量が急
激に増加する。したがって、充填材１８としては、弾性
率が１×１０¹⁰Ｎ／ｍ²以下の部材を使うことが好まし
く、例えば１×１０⁹〜１×１０¹⁰Ｎ／ｍ²の範囲となる
材料が多いエポキシ材の適用が可能である。

【００４８】次に、本発明の第４実施形態に係る圧電型
駆動体について図４を参照して説明する。この圧電型駆
動体４１は、上記第３実施形態の圧電型駆動体３１の両
端面側に支持部材１９、１９を取り付けたものである。
この支持部材１９は、圧電体層１１の積層方向の全面に
わたって圧電体層１１と接するように形成し、各支持部
材１９、１９に外部電極１４、１５（電極面）をそれぞ
れ形成し、外部電極１４を内部電極１２と、外部電極１
５を内部電極１３にそれぞれ接続している。

【００４９】この支持部材１９は、圧電体と同等もしく
はそれ以上の弾性率を持つ材料で形成し、例えばＢａＴ
ｉＯ₃のようなセラミック材で形成しているが、これに
限るものではない。

【００５０】なお、ここでは、第３実施形態の圧電型駆
動体３１に支持部材１９を設けた構成としているが、第
１、第２実施形態の圧電型駆動体１、２１に支持部材１
９を設けることもできる。

【００５１】このように構成したので、外部電極１４、
１５は変形の少ない支持部材１９に貼り付けた状態で圧
電体層１１及び内部電極１２、１３と接続されるので、
直接圧電体層１１に外部電極１４、１５を取り付ける場
合に比べて、より強固な構造となり、外部電極の破断を
防ぐことができる。

【００５２】次に、本発明の第５実施形態に係る圧電型
駆動体及び圧電型アクチュエータについて図５を参照し
て説明する。この圧電型駆動体５１は第４実施形態の圧
電型駆動体４１の支持部材１９の長さを圧電体層１１の
積層方向全体の長さよりも長く形成している。そして、
この圧電型駆動体５１の支持部材１９のみで圧電型駆動
体５１を基板２０に固定している。

【００５３】なお、ここでは、第４実施形態の圧電型駆
動体４１に支持部材１９を設けた構成で説明している
が、第１、第２、第３実施形態の圧電型駆動体１、２
１、３１に支持部材１９を設けた圧電型駆動体とするこ
ともできる。

【００５４】このように構成したので、圧電型駆動体５
１の圧電体層１１が直接固定基板２０に接することがな
くなり、圧電体層１１が伸縮を行っても、基板２０との
間に空間が形成されているために、この伸縮即ちひずみ
が基板２０に伝わることはなく、相互干渉の発生を抑え
ることができる。

【００５５】ここで、本発明に係る具体的な圧電型駆動
体による変位効率の改善効果について説明する。 （実施例１）図２に示す第２実施形態の構造を持つ積層
圧電型駆動体を作製した。圧電体層１１をＰＺＴ、内部
電極１２及び１３をＡｇＰｔ、外部電極１４及び１５を
銀ペーストにて構成した。寸法は、不活性部の幅ａを３
００μｍ、活性部ｂの幅を２０００μｍとし、各層の厚
さは圧電体層１１が３５μｍ、内部電極１２及び１３を
３μｍとしている。圧電型駆動体は１５０ｄｐｉのイン
クジェットヘッドに適用することを想定し、図２におい
て紙面に垂直方向の圧電体層１１の幅は９９μｍとして
いる。

【００５６】（比較例）図２１に示す構造を持つ積層圧
電型駆動体を作製した。圧電体層２０１をＰＺＴ、内部
電極２０２及び２０３をＡｇＰｔ、外部電極２０４及び
２０５を銀ペーストにて構成した。寸法は、不活性部ａ
の幅を３００μｍ、活性部ｂの幅を２０００μｍとし、
各層の厚さは圧電体層２０１が３５μｍ、内部電極２０
２及び２０３を３μｍとしている。圧電型駆動体は１５
０ｄｐｉのインクジェットヘッドに適用することを想定
し、図２１において紙面に垂直方向の圧電体層２０１の
幅は９９μｍとしている。

【００５７】そして、これらの実施例１及び比較例の各
積層圧電型駆動体を、それぞれＢａＴｉＯ₃にて構成
し、圧電体に比べて十分に大きい体積を持つ基板に取り
付けた状態で、２５Ｖの電圧をかけて、その積層方向の
変位発生量を測定した。各各積層圧電型駆動体の変位発
生量の測定結果を表２に示している。

【００５８】

【表２】

【００５９】これより、本発明を適用した場合には、１
５％程度変位効率を改善することができる。これから、
逆に同じ変位量を与えるのであれば、印加電圧を１５％
抑えることができ、消費電力を低減することが可能とな
ることが分かる。

【００６０】（実施例２）図３に示す第３実施形態の構
造を持つ積層圧電型駆動体を作製した。圧電体層１１を
ＰＺＴ、内部電極１２及び１３をＡｇＰｔ、外部電極１
４及び１５を銀ペーストにて構成した。寸法は、不活性
部の幅ａを３００μｍ、活性部ｂの幅を２０００μｍと
し、各層の厚さは圧電体層１１が３５μｍ、内部電極１
２及び１３を３μｍとしている。圧電型駆動体は１５０
ｄｐｉのインクジェットヘッドに適用することを想定
し、図３において紙面に垂直方向の圧電体層１１の幅は
９９μｍとしている。また、充填材１８は、弾性率２．
９４×１０⁹Ｎ／ｍ²のエポキシ材を適用した。

【００６１】そして、この実施例２及び比較例の各積層
圧電型駆動体を、それぞれＢａＴｉＯ₃にて構成し、圧
電体に比べて十分に大きい体積を持つ基板に取り付けた
状態で、２５Ｖの電圧をかけて、その積層方向の変位発
生量を測定した。各各積層圧電型駆動体の変位発生量の
測定結果を表３に示している。

【００６２】

【表３】

【００６３】これから、実施例１の場合と同様に駆動効
率を改善できていることが分かる。

【００６４】次に、本発明に係る圧電型駆動体の製造方
法の第１実施形態について前述した図１、図２を参照し
て説明する。第１実施形態の圧電型駆動体１或いは第２
実施形態の圧電型駆動体２１を製造する場合、各層即ち
圧電体１１及び内部電極１２若しくは１３を一つの組と
して、各層毎に独立して内部電極を有する圧電体層１１
を焼成し、しかる後に各層を接着等の手段により積層し
て構成する。これによって、内部電極の制御を容易に行
えると同時に、容易に圧電体層１１を千鳥状に積層配置
することができる。

【００６５】次に、本発明に係る圧電型駆動体の製造方
法の第２実施形態について前述した図３を参照して説明
する。図３の第３実施形態の圧電型駆動体３１を製造す
る場合、充填材１８は圧電体層１１を積層形成した後空
間１７に充填する。圧電体層１１の形成前、即ち圧電体
の焼成時に充填を行おうとすると、焼成温度に耐えうる
部材を選ぶ必要があるが、積層形成後に充填すれば、高
温のかかる製作工程はそれ以降は存在せず、耐熱性を考
慮せずに充填材を選択することができる。

【００６６】次に、本発明に係る圧電型駆動体の製造方
法の第３実施形態について前述した図４を参照して説明
する。図４の第４実施形態の圧電型駆動体４１を製造す
る場合、充填材１８を充填した直後に支持部材１９を取
り付けて、充填材１８で支持部材１８を固定する。この
ように充填材１８によって支持部材１９の固定を行うよ
うにすれば、充填材１８の充填工程と支持部材１９の取
付工程を同時に行うことができ、製造工程を簡略化でき
る。例えば、充填材に接着性のあるエポキシ材等を適用
すれば、その接着力によって支持部材１９の固定も同時
に行うことができる。

【００６７】次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドとして
のインクジェットヘッドの一例について図６乃至図９を
参照して説明する。なお、図６は同ヘッドの分解斜視説
明図、図７は同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明
図、図８は図２の要部拡大説明図、図９は同ヘッドの液
室短手方向に沿う断面説明図である。

【００６８】このインクジェットヘッドは、単結晶シリ
コン基板で形成した流路形成基板（液室基板）６１と、
この流路形成基板６１の下面に接合した振動板６２と、
流路形成基板６１の上面に接合したノズル板６３とを有
し、これらによってインク滴を吐出するノズル６５が連
通する流路（インク液室）である加圧液室６６、加圧液
室６６に流体抵抗部となるインク供給路６７を介してイ
ンクを供給する共通液室６８を形成している。

【００６９】そして、振動板６２の面外側（液室６６と
反対面側）に各加圧液室６６に対応して駆動手段として
の本発明に係る積層圧電型駆動体（積層型圧電素子）７
２を接合し、この積層型圧電素子７２はベース基板７３
に接合して固定している。この場合、図５に示した第５
実施形態に係る構成とすることで、前述したようにベー
ス基板７３と積層型圧電素子７２の圧電体層間にギャッ
プを空けることができる。これらの振動板６２と積層型
圧電素子７２によって振動板６２を可動部分とする圧電
型アクチュエータを構成している。

【００７０】このベース基板７３の圧電素子７２の列の
中央部にはインク供給口形成部材７４をベース基板７３
に接合している。なお、インク供給口形成部材７４はベ
ース基板７３をエッチングすることでベース基板７３と
一体形成することもできる。ベース基板７３及びインク
供給口形成部材７４には共通液室６８に外部からインク
を供給するためのインク供給口６９を形成する貫通穴を
形成している。

【００７１】また、流路形成基板６１の外周部及び振動
板６２の下面側外縁部をエポキシ系樹脂或いはポリフェ
ニレンサルファイトで射出成形により形成したヘッドフ
レーム７７に接着接合し、このヘッドフレーム７７とベ
ース基板７３とは図示しない部分で接着剤などで相互に
固定している。

【００７２】さらに、圧電素子７２には駆動信号を与え
るために半田接合又はＡＣＦ（異方導電性膜）接合若し
くはワイヤボンディングでＦＰＣケーブル７８を接続
し、このＦＰＣケーブル７８には各圧電素子７２の内部
電極に選択的に駆動波形を印加するための駆動回路（ド
ライバＩＣ）７９を実装している。

【００７３】ここで、流路形成基板６１は、結晶面方位
（１１０）の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶
液（ＫＯＨ）などのアルカリ性エッチング液を用いて異
方性エッチングすることで、各加圧液室６６となる貫通
穴、インク供給路６７となる溝部、共通液室６８となる
貫通穴をそれぞれ形成している。各加圧液室６６の間は
隔壁８０となる。

【００７４】振動板６２は例えばニッケルの金属プレー
トから形成したものであるが、この他、樹脂部材或いは
樹脂部材と金属部材の積層部材などで形成することがで
きる。この振動板６２は加圧液室６６に対応する部分に
変形を容易にするための薄肉部８１及び圧電素子７２と
接合するための中央厚肉部７２を形成するとともに、隔
壁７０に対応する部分にも周囲厚肉部７３を形成し、平
坦面側を流路形成基板６１に接着剤接合し、周囲厚肉部
８３をフレーム７７に接着剤接合している。

【００７５】この振動板６２の液室間隔壁８０（加圧液
室６６、６６間の隔壁８０）に対応する周囲厚肉部８３
とベース基板８３との間には支持部材などを設けず空間
としている。この場合、上部の加圧液室６６の剛性を保
つとともに圧電素子７２の変形による振動板７２の中央
厚肉部８２の変位効率を確保するために、加圧液室６
６、すなわち、隔壁８０やノズル板６３及び振動板６２
の剛性を高くし、また、それぞれの接合部分の強度を十
分に確保している。

【００７６】ノズル板６３は各加圧液室６６に対応して
直径１０〜３０μｍのノズル６５を形成し、流路形成基
板６１に接着剤接合している。このノズル板６３として
は、ステンレス、ニッケルなどの金属、金属とポリイミ
ド樹脂フィルムなどの樹脂との組み合せ、、シリコン、
及びそれらの組み合わせからなるものを用いることがで
きる。また、ノズル面（吐出方向の表面：吐出面）に
は、インクとの撥水性を確保するため、メッキ被膜、あ
るいは撥水剤コーティングなどの周知の方法で撥水膜を
形成している。このノズル板６３の周囲とヘッドフレー
ム７７との間には封止剤８６を充填している。この封止
剤８６は接着の役割も兼ねている。

【００７７】このように構成したインクジェットヘッド
においては、圧電素子７２に対して選択的に２０〜５０
Ｖの駆動パルス電圧を印加することによって、パルス電
圧が印加された圧電素子７２が積層方向（ｄ３３方向を
用いる場合）に変位して振動板６２をノズル６５方向に
変形させ、加圧液室６６の容積／体積変化によって加圧
液室６６内のインクが加圧され、ノズル６５からインク
滴が吐出（噴射）される。

【００７８】そして、インク滴の吐出に伴って加圧液室
６６内の液圧力が低下し、このときのインク流れの慣性
によって加圧液室６６内には若干の負圧が発生する。こ
の状態の下において、圧電素子７２への電圧の印加をオ
フ状態にすることによって、振動板６２が元の位置に戻
って加圧液室６６が元の形状になるため、さらに負圧が
発生する。このとき、インク供給口６９から共通液室６
８、流体抵抗部であるインク供給路６７を経て加圧液室
６６内にインクが充填される。そこで、ノズル６５のイ
ンクメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次のイ
ンク滴吐出のために圧電素子７２にパルス電圧を印加し
インク滴を吐出させる。

【００７９】このように本発明に係る圧電型駆動体を圧
力発生手段とすることによって、低消費電流で動作し、
印字特性の安定したインクジェットヘッドを得ることが
できる。

【００８０】次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドである
インクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装
置の一例について図１０及び図１１を参照して説明す
る。なお、図１０は同記録装置の斜視説明図、図１１は
同記録装置の機構部の側面説明図である。

【００８１】このインクジェット記録装置は、記録装置
本体１１１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッ
ジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェット
ヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給
するインクカートリッジ等で構成される印字機構部１１
２等を収納し、装置本体１１１の下方部には前方側から
多数枚の用紙１１３を積載可能な給紙カセット（或いは
給紙トレイでもよい。）１１４を抜き差し自在に装着す
ることができ、また、用紙１１３を手差しで給紙するた
めの手差しトレイ１１５を開倒することができ、給紙カ
セット１１４或いは手差しトレイ１１５から給送される
用紙１１３を取り込み、印字機構部１１２によって所要
の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ１
１６に排紙する。

【００８２】印字機構部１１２は、図示しない左右の側
板に横架したガイド部材である主ガイドロッド１２と従
ガイドロッド１２２とでキャリッジ１２３を主走査方向
（図１５で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキ
ャリッジ１２３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マ
ゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐
出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェッ
トヘッドからなるヘッド１２４を複数のインク吐出口を
主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向
を下方に向けて装着している。またキャリッジ１２３に
はヘッド１２４に各色のインクを供給するための各イン
クカートリッジ１２５を交換可能に装着している。

【００８３】インクカートリッジ１２５は上方に大気と
連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへイン
クを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多
孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジ
ェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持
している。

【００８４】また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘ
ッド１２４を用いているが、各色のインク滴を吐出する
ノズルを有する１個のヘッドでもよい。

【００８５】ここで、キャリッジ１２３は後方側（用紙
搬送方向下流側）を主ガイドロッド１２１に摺動自在に
嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッ
ド１２２に摺動自在に載置している。そして、このキャ
リッジ１２３を主走査方向に移動走査するため、主走査
モータ１２７で回転駆動される駆動プーリ１２８と従動
プーリ１２９との間にタイミングベルト１３０を張装
し、このタイミングベルト１３０をキャリッジ１２３に
固定しており、主走査モーター１２７の正逆回転により
キャリッジ１２３が往復駆動される。

【００８６】一方、給紙カセット１１４にセットした用
紙１１３をヘッド１２４の下方側に搬送するために、給
紙カセット１１４から用紙１１３を分離給装する給紙ロ
ーラ１３１及びフリクションパッド１３２と、用紙１１
３を案内するガイド部材１３３と、給紙された用紙１１
３を反転させて搬送する搬送ローラ１３４と、この搬送
ローラ１３４の周面に押し付けられる搬送コロ１３５及
び搬送ローラ１３４からの用紙１１３の送り出し角度を
規定する先端コロ１３６とを設けている。搬送ローラ１
３４は副走査モータ１３７によってギヤ列を介して回転
駆動される。

【００８７】そして、キャリッジ１２３の主走査方向の
移動範囲に対応して搬送ローラ１３４から送り出された
用紙１１３を記録ヘッド１２４の下方側で案内する用紙
ガイド部材である印写受け部材１３９を設けている。こ
の印写受け部材１３９の用紙搬送方向下流側には、用紙
１１３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送
コロ１４１、拍車１４２を設け、さらに用紙１１３を排
紙トレイ１１６に送り出す排紙ローラ１４３及び拍車１
４４と、排紙経路を形成するガイド部材１４５，１４６
とを配設している。

【００８８】記録時には、キャリッジ１２３を移動させ
ながら画像信号に応じて記録ヘッド１２４を駆動するこ
とにより、停止している用紙１１３にインクを吐出して
１行分を記録し、用紙１１３を所定量搬送後次の行の記
録を行う。記録終了信号または、用紙１１３の後端が記
録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を
終了させ用紙１１３を排紙する。この場合、ヘッド１２
４を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはイン
ク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されている
ので、安定して高い画像品質の画像を記録することがで
きる。

【００８９】また、キャリッジ１２３の移動方向右端側
の記録領域を外れた位置には、ヘッド１２４の吐出不良
を回復するための回復装置１４７を配置している。回復
装置１４７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手
段を有している。キャリッジ１２３は印字待機中にはこ
の回復装置１４７側に移動されてキャッピング手段でヘ
ッド１２４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に
保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。
また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出す
ることにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、
安定した吐出性能を維持する。

【００９０】吐出不良が発生した場合等には、キャッピ
ング手段でヘッド１２４の吐出口を密封し、チューブを
通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸
い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニ
ング手段により除去され吐出不良が回復される。また、
吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜
（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体
に吸収保持される。

【００９１】なお、上記実施形態においては、液滴吐出
ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明
したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドと
して、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴
吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐
出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッド及びその圧電型アク
チュエータ部にも適用できる。

【００９２】また、上記実施形態においては、本発明を
振動板変位方向と液滴吐出方向が同じになるサイドシュ
ータ方式のヘッドに適用したが、振動板変位方向とイン
ク滴吐出方向とが直交するエッジシュータ方式のヘッド
にも同様に適用することができる。

【００９３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る圧電
型駆動体によれば、圧電体層を１層毎に千鳥状にずらし
て配置し、積層面の一部を隣接する圧電体層と接してい
ない構成としたので、変位効率が向上し、消費電力を低
減できる。

【００９４】ここで、圧電体層には隣接する圧電体層と
接していない領域を含めて内部電極を形成することで、
より変位効率が向上するとともに、内部電極に高い加工
精度が要求されず、よりばらつきの少ない安定した駆動
特性が得られる。また、隣接する圧電体層に接しない２
つの圧電体層間に形成される空間には圧電体層よりも弾
性率の低い部材が充填されていることで、圧電体層間の
密着性が増すと同時に、外部電極がより破断しにくくな
り、より特性の安定した駆動体を得ることができる。こ
の場合、充填する部材の弾性率を、１×１０^１０Ｎ／ｍ
^２以下とすることで、活性部によって発生するひずみを
十分に吸収でき、かつ駆動効率を改善することができ
る。

【００９５】また、圧電体層の両端部に圧電体と同等又
はそれ以上の弾性率（Ｎ／ｍ^２）を有する支持部材を取
り付けることにより、外部電極の破断を抑制でき、より
安定した駆動体が得られる。この場合、支持部材の圧電
体層と接する面に内部電極に接続する電極面を形成する
ことで、容易に内部電極との接続を行うことができる。

【００９６】また、支持部材の長さは積層体全体の積層
方向長さよりも長くすることで、圧電体層を接触させる
ことなく基板に固定することが可能になり、基板を介し
た相互干渉を防止できる。

【００９７】本発明に係る圧電型駆動体の製造方法によ
れば、請求項１乃至７の圧電型駆動体を製造する方法で
あって、圧電体層毎に内部電極を含めて焼成した後、各
圧電体層を積層するので、簡単な工程で本発明に係る圧
電型駆動体を得ることができる。

【００９８】また、本発明に係る圧電型駆動体の製造方
法によれば、請求項３又は４の圧電型駆動体を製造する
方法であって、圧電体層を積層した後に圧電体層よりも
弾性率の低い部材を充填するので、充填材の選択の幅が
広がり、駆動体の構造、特定に適した充填材を選択する
ことができる。この場合、圧電体層よりも弾性率の低い
部材を充填した後、圧電体層の両端部に圧電体と同等又
はそれ以上の弾性率（Ｎ／ｍ^２）を有する支持部材を取
り付け、この支持部材を充填した部材で固定することに
よって、製造工程を簡略化できる。

【００９９】本発明に係る圧電型アクチュエータによれ
ば、可動部分とこの可動部分を駆動する本発明に係る圧
電型駆動体とを備えたので、変位効率が高く、消費電力
が小さいアクチュエータを得られる。

【０１００】本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、本
発明に係る圧電型駆動体を圧力室に液滴吐出のための圧
力を発生させる圧力発生手段に含むので、駆動効率が高
く、安定した特性が得られ、より低消費電力で駆動可能
になるとともに安定した滴吐出特性が得られる。

【０１０１】本発明に係るインクジェット記録装置によ
れば、インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして
本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したので、安定して
高品質の画像を記録することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る圧電型駆動体の断
面説明図

【図２】本発明の第２実施形態に係る圧電型駆動体の断
面説明図

【図３】本発明の第３実施形態に係る圧電型駆動体の断
面説明図

【図４】本発明の第４実施形態に係る圧電型駆動体の断
面説明図

【図５】本発明の第５実施形態に係る圧電型駆動体及び
圧電型アクチュエータの断面説明図

【図６】本発明に係る液滴吐出ヘッドの一例を示す分解
斜視説明図

【図７】同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図

【図８】図７の要部拡大説明図

【図９】同ヘッドの液室短手方向に沿う断面説明図

【図１０】本発明に係るインクジェット記録装置の一例
を示す斜視説明図

【図１１】同記録装置の機構部の側面説明図

【図１２】従来の圧電型駆動体の断面説明図

【図１３】従来の他の圧電型駆動体の断面説明図

【図１４】従来の圧電型駆動体における活性領域のばら
つきの説明に供する説明図

【図１５】従来の圧電型駆動体における相互干渉の説明
に供する説明図

【符号の説明】

１，２１，３１，４１，５１…圧電型駆動体、１１…圧
電体層、１２、１３…内部電極、１４，１５…外部電
極、１７…空間、１８…充填材、１９…支持部材、２０
…基板、６１…流路形成基板、６２…振動板、６３…ノ
ズル板、６５…ノズル、６６…加圧液室、６７…インク
供給路、６８…共通液室、７２…圧電素子、７３…ベー
ス基板。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｚ Ｈ０２Ｎ 2/00 (72)発明者 岡田 康之 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 2C057 AF51 AG42 AG47 AG94 AP14 AP21 BA03 BA14

Claims (13)

【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
   が交互に複数層積層され、前記内部電極間に電圧を印加
   することにより変位を発生する積層圧電型駆動体におい
   て、前記圧電体層は、１層毎に千鳥状にずれて配置さ
   れ、積層面の一部は隣接する圧電体層と接していないこ
   とを特徴とする圧電型駆動体。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の圧電型駆動体におい
   て、前記圧電体層には隣接する圧電体層と接していない
   領域を含めて前記内部電極が形成されていることを特徴
   とする圧電型駆動体。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の圧電型駆動体に
   おいて、隣接する圧電体層に接しない２つの圧電体層間
   に形成される空間には圧電体層よりも弾性率の低い部材
   が充填されていることを特徴とする圧電型駆動体。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の圧電型駆動体におい
   て、充填される部材の弾性率が、１×１０^１０Ｎ／ｍ^２
   以下であることを特徴とする圧電型駆動体。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電
   型駆動体おいて、圧電体層の両端部に圧電体と同等又は
   それ以上の弾性率（Ｎ／ｍ^２）を有する支持部材を取り
   付けたことを特徴とする圧電型駆動体。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の圧電型駆動体におい
   て、前記支持部材の圧電体層と接する面に前記内部電極
   に接続した電極面を形成したことを特徴とする圧電型駆
   動体。
7. 【請求項７】 請求項５又は６に記載の圧電型駆動体に
   おいて、前記支持部材の長さは積層体全体の積層方向長
   さよりも長いことを特徴とする圧電型駆動体。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電
   型駆動体を製造する方法であって、前記圧電体層毎に内
   部電極を含めて焼成した後、各圧電体層を積層すること
   を特徴とする圧電型駆動体の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項３又は４に記載の圧電型駆動体を
   製造する方法であって、前記圧電体層を積層した後に前
   記圧電体層よりも弾性率の低い部材を充填することを特
   徴とする圧電型駆動体の製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の圧電型駆動体の製造
    方法において、前記圧電体層よりも弾性率の低い部材を
    充填した後、圧電体層の両端部に圧電体と同等又はそれ
    以上の弾性率（Ｎ／ｍ^２）を有する支持部材を取り付
    け、この支持部材を前記充填した部材で固定することを
    特徴とする圧電型駆動体。
11. 【請求項１１】 可動部分とこの可動部分を駆動する圧
    電型駆動体を備えた圧電型アクチュエータにおいて、前
    記圧電型駆動体は請求項１乃至７のいずれかに記載の圧
    電型駆動体であることを特徴とする圧電型アクチュエー
    タ。
12. 【請求項１２】 液滴を吐出するノズルと、ノズルが連
    通する圧力室と、圧力室に液滴吐出のための圧力を発生
    させる圧力発生手段を備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
    前記圧力発生手段は前記請求項１乃至７のいずれかに記
    載の圧電型駆動体を含むことを特徴とする液滴吐出ヘッ
    ド。
13. 【請求項１３】 インク滴を吐出するインクジェットヘ
    ッドを搭載したインクジェット記録装置において、前記
    インクジェットヘッドは請求項１２に記載の液滴吐出ヘ
    ッドであることを特徴とするインクジェット記録装置。