JP2004064045A - 圧電素子、圧電アクチュエータ、及び、液体噴射ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】多層構造の圧電素子における変形効率を高める。
【解決手段】互いに積層された上層圧電体３４と下層圧電体３５とを有し、これらの上層圧電体３４と下層圧電体３５の間には駆動電極３３を形成し、上層圧電体３４の表面には共通上電極３６を形成し、下層圧電体３５と振動板２３の間には共通下電極３７を形成した多層構造の圧電素子２６を用い、上層圧電体３４を下層圧電体３５よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で作製し、焼成後における上層圧電体３４の残留応力を下層圧電体３５の残留応力よりも小さくした。
【選択図】 図５
【解決手段】互いに積層された上層圧電体３４と下層圧電体３５とを有し、これらの上層圧電体３４と下層圧電体３５の間には駆動電極３３を形成し、上層圧電体３４の表面には共通上電極３６を形成し、下層圧電体３５と振動板２３の間には共通下電極３７を形成した多層構造の圧電素子２６を用い、上層圧電体３４を下層圧電体３５よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で作製し、焼成後における上層圧電体３４の残留応力を下層圧電体３５の残留応力よりも小さくした。
【選択図】 図５
Description
【特許請求の範囲】
【請求項１】互いに積層された上層圧電体と下層圧電体を有し、電場に応じて変形する圧電体層と、
前記上層圧電体と下層圧電体との間に第１の電極を形成し、該第１の電極とは反対側となる下層圧電体の下部に第２の電極を、第１の電極とは反対側となる上層圧電体の上部に第３の電極をそれぞれ形成した圧電素子であって、
前記上層圧電体を下層圧電体よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で作製し、焼成後における上層圧電体の残留応力を下層圧電体の残留応力よりも小さくしたことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】前記上層圧電体を、その幅方向の断面形状が下層圧電体とは反対側に凸となるように設けたことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の圧電素子を、振動板表面に形成したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】ノズル開口に連通された圧力室と、該圧力室の一部を区画する振動板と、前記圧力室とは反対側の振動板表面に設けられた圧電素子とを備え、圧電素子の変形によって圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで、液体を液滴状にして吐出させる液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電素子を、請求項１又は請求項２に記載の圧電素子によって構成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動信号の供給によって変形する圧電素子、この圧電素子を駆動源として用いた圧電アクチュエータ及び液体噴射ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子は、圧電効果を示す圧電材料である、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＰｂＴｉＯ３などの金属酸化物の粉末を圧縮焼成した圧電セラミックス、または高分子化合物を利用した圧電性高分子膜などから成る電気エネルギーの供給によって変形するものであり、例えば、液体噴射ヘッド、マイクロポンプ、発音体（スピーカ等）用の駆動素子として広く用いられている。ここで、液体噴射ヘッドは、ノズル開口から液滴を吐出させるものであり、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレーの製造に用いられる液晶噴射ヘッド、カラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド等がある。また、マイクロポンプは、極く微量の液体を扱うことができる超小型のポンプであり、例えば、極く少量の薬液を送出する際に用いられる。
【０００３】
このような圧電素子では、高周波駆動に対する強い要請があり、素子自体の剛性を高めることが求められている。例えば、上記の記録ヘッドにおいて、圧電素子は１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚもの高周波数で駆動される。このような駆動条件で耐久性を向上させるためには、素子自体の剛性を高めることが必要となる。ここで、単に素子自体の剛性を高めるだけなら圧電体層を厚くすればよいが、この場合十分な変形量を得るためには駆動電圧を高くしなければならず、高周波駆動に適さない。
【０００４】
そして、必要な剛性が得られ従来と同程度の駆動電圧で駆動できる圧電素子として、多層構造の圧電素子が提案されている。例えば、特開平２−２８９３５２号公報（特許文献１）には、圧電体層を上層圧電体と下層圧電体の２層構造とし、上層圧電体と下層圧電体の境界に駆動電極（個別電極）を形成すると共に、上層圧電体の外表面と下層圧電体の外表面とにそれぞれ共通電極を形成した構造の圧電素子が開示されている。同様に、特開平１０−３４９２４号公報（特許文献２）にも多層構造の圧電素子が開示されている。
【０００５】
上記多層構造の圧電素子では、上層圧電体と下層圧電体の境界に駆動電極が設けられているので、各層の圧電素子には、駆動電極から各共通電極までの間隔（即ち、各層圧電体の厚さ）と、駆動電極と各共通電極の電位差とによって定まる強さの電場が付与される。このため、共通電極と駆動電極とで単層の圧電体を挟んだ単層構造の圧電素子と比べた場合、圧電素子全体の厚さを多少厚くして剛性を高めても、従来と同じ駆動電圧で大きく変形させることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２−２８９３５２号公報
【特許文献２】
特開平１０−３４９２４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記多層構造の圧電素子を単に用いただけでは、近年の高い要請に応え得る程度の特性は得られなかった。このため、実際の製品としては、単層の圧電体を共通電極と駆動電極とで挟んだ単層構造の圧電素子を用いることを余儀なくされている。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、多層構造の圧電素子における変形効率をより向上させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１に記載のものは、互いに積層された上層圧電体と下層圧電体を有し、電場に応じて変形する圧電体層と、
前記上層圧電体と下層圧電体との間に第１の電極を形成し、該第１の電極とは反対側となる下層圧電体の下部に第２の電極を、第１の電極とは反対側となる上層圧電体の上部に第３の電極をそれぞれ形成した圧電素子であって、
前記上層圧電体を下層圧電体よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で作製し、焼成後における上層圧電体の残留応力を下層圧電体の残留応力よりも小さくしたことを特徴とする圧電素子である。
【００１０】
ここで、「上、下」とあるのは、圧電素子が設けられる支持部材（例えば振動板）を基準とした位置関係を示している。即ち、この支持部材から近い側を「下」とし、支持部材から遠い側を「上」として示している。
【００１１】
請求項２に記載のものは、前記上層圧電体を、その幅方向の断面形状が下層圧電体とは反対側に凸となるように設けたことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子である。
【００１２】
請求項３に記載のものは、請求項１又は請求項２に記載の圧電素子を、振動板表面に形成したことを特徴とする圧電アクチュエータである。
【００１３】
請求項４に記載のものは、ノズル開口に連通された圧力室と、該圧力室の一部を区画する振動板と、前記圧力室とは反対側の振動板表面に設けられた圧電素子とを備え、圧電素子の変形によって圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで、液体を液滴状にして吐出させる液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電素子を、請求項１又は請求項２に記載の圧電素子によって構成したことを特徴とする液体噴射ヘッドである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、圧電素子を用いた記録ヘッド（液体噴射ヘッドの一種）を例に挙げて説明する。図１に例示するように、この記録ヘッド１は、流路ユニット２と、複数のアクチュエータユニット３…と、フィルム状の配線基板４とから概略構成されている。そして、流路ユニット２の表面に各アクチュエータユニット３…を横並びに接合し、流路ユニット２とは反対側のアクチュエータユニット３の表面に配線基板４を取り付けている。
【００１５】
流路ユニット２は、図２に示すように、オリフィスとしてのインク供給口５及びノズル連通口６の一部となる通孔を開設した供給口形成基板７と、共通インク室８となる通孔及びノズル連通口６の一部となる通孔を開設したインク室形成基板９と、ノズル開口１０…を副走査方向（即ち、記録ヘッド１の移動方向である主走査方向に対して直交する方向）に沿って開設したノズルプレート１１から構成されている。これらの供給口形成基板７、インク室形成基板９、及び、ノズルプレート１１は、例えば、ステンレス製の板材をプレス加工することで作製されている。
【００１６】
そして、流路ユニット２は、インク室形成基板９の一方の表面（図中下側）にノズルプレート１１を、他方の表面（同上側）に供給口形成基板７をそれぞれ配置し、これらの供給口形成基板７、インク室形成基板９、及び、ノズルプレート１１を接合することで作製される。例えば、シート状の接着剤によって各部材７，９，１１を接着することで作製される。
【００１７】
上記のノズル開口１０は、図３に示すように、所定ピッチで複数個列状に開設される。そして、列設された複数のノズル開口１０…によってノズル列１２が構成される。例えば、９２個のノズル開口１０…で１つのノズル列１２が構成される。また、このノズル列１２は、１つのアクチュエータユニット３に対して２列形成される。そして、本実施形態の記録ヘッド１は３つのアクチュエータユニット３…を備えているため、１つの流路ユニット２に対して合計６列のノズル列１２…が横並びに形成される。
【００１８】
アクチュエータユニット３は、ヘッドチップとも呼ばれる部材である。このアクチュエータユニット３は、圧力室２１となる通孔を開設した圧力室形成基板２２と、圧力室２１の一部を区画する振動板２３と、供給側連通口２４となる通孔及びノズル連通口６の一部となる通孔を開設した蓋部材２５と、駆動源としての圧電素子２６とによって構成される。これら各部材２２，２３，２５の板厚に関し、圧力室形成基板２２、及び、蓋部材２５は、好ましくは５０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上である。また、振動板２３は、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３〜１２μｍ程度である。本実施形態の振動板２３は、約６μｍの厚さに作製されている。
【００１９】
なお、このアクチュエータユニット３において、振動板２３と圧電素子２６が本発明の圧電アクチュエータを構成する。また、振動板２３は、圧電素子２６が設けられる支持部材の一種である。
【００２０】
このアクチュエータユニット３は、複数ユニット分の構成要素（圧力室２１…や圧電素子２６…等）が形成されたセラミックスシートから作製される。例えば、アルミナや酸化ジルコニウムなどのセラミックス原料、バインダー、及び、液媒によってセラミックスのスラリーを調整し、ドクターブレード装置やリバースロールコーター装置等の一般的な装置を用いて、このスラリーをグリーンシート（未焼成のシート材）に成形する。そして、このグリーンシートに対して切削や打ち抜き等の加工を施して必要な通孔等を形成するなどして、圧力室形成基板２２、振動板２３、及び、蓋部材２５の各シート状前駆体を作製する。
【００２１】
そして、圧力室形成基板２２となる前駆体の一方の表面に蓋部材２５の前駆体を、他方の表面に振動板２３の前駆体をそれぞれ配置して焼成することにより、各前駆体は一体化されて１枚のシート状部材となる。この焼成後のシート状部材に対して圧電素子２６等を形成することでセラミックスシートが作製される。この場合において、各シート状前駆体や圧電素子２６は焼成により一体化されるので、特別な接着処理が不要である。また、各部材の接合面において高いシール性を得ることもできる。
【００２２】
セラミックスシートを作製したならば、このセラミックスシートを切断することにより、複数のアクチュエータユニット３…が得られる。
【００２３】
上記の圧力室２１は、ノズル列１２とは直交する方向に細長い空部であり、図３に示すように、ノズル開口１０に対応する複数形成され、ノズル列方向に並べられた状態で設けられている。そして、各圧力室２１…の一端は、ノズル連通口６を通じて対応するノズル開口１０に連通する。また、ノズル連通口６とは反対側の圧力室２１の他端は、供給側連通口２４及びインク供給口５を通じて共通インク室８に連通している。さらに、この圧力室２１の一部は、振動板２３によって区画されている。
【００２４】
上記の圧電素子２６は、所謂撓み振動モードの圧電素子であり、圧力室２１とは反対側の振動板表面に圧力室２１毎に形成されている。この圧電素子２６の幅Ｗ（図５参照）は圧力室２１の幅（内寸法）と略等しく、長さは圧力室２１の長さよりも多少長い。さらに、この圧電素子２６は、その両端部が圧力室２１の長手方向両端部を越えるように配設されている。
【００２５】
この圧電素子２６は、例えば、図４や図５に示すように、圧電体層３１と共通枝電極３２と駆動電極３３等によって構成されており、駆動電極３３と共通枝電極３２によって圧電体層３１を挟んでいる。なお、この圧電素子２６の構造については、後で詳しく説明する。
【００２６】
そして、駆動電極３３には駆動信号の供給源（図示せず）が電気的に接続され、共通枝電極３２は例えば接地電位に調整される。駆動電極３３に駆動信号が供給されると、駆動電極３３と共通枝電極３２との間には電位差に応じた強さの電場が発生される。この電場は圧電体層３１に付与され、圧電体層３１は電場の強さに応じて変形する。
【００２７】
即ち、駆動電極３３の電位を高くする程、圧電体層３１は電場と直交する方向に収縮し、圧力室２１の容積を少なくするように振動板２３を変形させる（例えば図６の状態）。一方、駆動電極３３の電位を低くする程、圧電体層３１は電界と直交する方向に伸長し、圧力室２１の容積を増やすように振動板２３を変形させる。
【００２８】
そして、このアクチュエータユニット３と上記の流路ユニット２とは、互いに接合される。例えば、供給口形成基板７と蓋部材２５との間にシート状接着剤を介在させ、この状態でアクチュエータユニット３を流路ユニット２側に加圧することで接着される。
【００２９】
上記構成の記録ヘッド１は、共通インク室８からインク供給口５、供給側連通口２４、圧力室２１、及び、ノズル連通口６を通じてノズル開口１０に至る一連のインク流路がノズル開口１０毎に形成されている。使用時においてこのインク流路内はインクで満たされている。そして、圧電素子２６を変形させることで対応する圧力室２１が収縮或いは膨張し、圧力室２１内のインクに圧力変動が生じる。このインク圧力を制御することで、ノズル開口１０からインク滴を吐出させることができる。例えば、定常容積の圧力室２１を一旦膨張させた後に急激に収縮させると、圧力室２１の膨張に伴ってインクが充填され、その後の急激な収縮によって圧力室２１内のインクが加圧されてインク滴が吐出される。
【００３０】
ここで、高速記録のためには、より多くのインク滴を短時間で吐出させる必要がある。この要求に応えるためには、圧電素子２６の剛性と駆動電圧とを考慮する必要がある。即ち、従来よりも高い周波数での駆動に耐えるため、剛性を従来よりも高める必要がある。また、高周波駆動を実現するにあたっては駆動電圧を高くすることは好ましくない。
【００３１】
そこで、本実施形態では、多層構造の圧電素子２６を用いている。以下、この点について説明する。
【００３２】
まず、図４及び図５を参照して、圧電素子２６の構造について詳細に説明する。上記の圧電体層３１は、圧力室長手方向に細長いブロック状に成形され、互いに積層された上層圧電体（外側圧電体）３４及び下層圧電体（内側圧電体）３５から構成される。また、共通枝電極３２は、共通上電極（共通外電極，本発明の第３の電極）３６及び共通下電極（共通内電極，本発明の第２の電極）３７から構成される。そして、これらの電極３６，３７と駆動電極３３とが電極層を構成する。
【００３３】
なお、ここでいう「上（外）」或いは「下（内）」とは、振動板２３（支持部材の一種）を基準とした位置関係を示している。即ち、「上（外）」とあるのは振動板２３から遠い側を示し、「下（内）」とあるのは振動板２３に近い側を示している。
【００３４】
上記の駆動電極３３は個別電極（本発明の第１の電極）として機能し、上層圧電体３４と下層圧電体３５の境界に形成される。また、共通上電極３６び共通下電極３７は、共通幹電極３８と共に共通電極を構成する。即ち、この共通電極は、共通幹電極３８から複数の共通枝電極３２（共通上電極３６，共通下電極３７）…が延出形成された櫛歯状に形成されている。
【００３５】
上記の共通下電極３７は駆動電極３３とは反対側の下層圧電体３５の下部に形成され、共通上電極３６は駆動電極３３とは反対側の上層圧電体３４の上部に形成される。即ち、この圧電素子２６は、振動板側から、共通下電極３７、下層圧電体３５、駆動電極３３、上層圧電体３４、共通上電極３６の順で積層された多層構造である。そして、この圧電素子２６では、下層圧電体３５により共通下電極３７をその全幅を越えて覆うと共に、上層圧電体３４により駆動電極３３をその全幅を越えて覆っている。従って、駆動電極３３は、その幅方向において両圧電体層３４，３５内に埋設された状態となる。
【００３６】
本実施形態における圧電体層３１の厚さは、幅方向の中央部分にて、上層圧電体３４と下層圧電体３５の２層を合計して約１７μｍである。そして、共通下電極３７の厚さが約３μｍであり、共通上電極の厚さが０．３μｍ程度であるため、共通枝電極３２を含めた圧電素子２６の全体の厚さは約２０μｍである。
【００３７】
なお、従来の単層構造の圧電素子２６は、素子全体の厚さが約１５μｍである。従って、圧電素子２６の厚さが増したことから、その分だけ圧力室２１における変形部分（即ち、振動板２３及び圧電素子２６の全体）の剛性が増している。
【００３８】
また、上記したように、圧電素子２６の長さは圧力室２１の長手方向の長さよりも長く、その長手方向の両端部は同じ側に位置する圧力室２１の端を越えて形成されている。そして、圧電素子２６の幅Ｗは、圧力室２１の幅と同寸法に揃えられている。従って、各圧電素子２６…は、圧力室２１の長手方向を覆う状態で形成されていると表現することもできる。
【００３９】
上記の共通上電極３６及び共通下電極３７は、駆動信号に拘わらず一定の電位、例えば接地電位に調整される。上記の駆動電極３３は、供給された駆動信号に応じて電位を変化させる。従って、駆動信号の供給によって、駆動電極３３と共通上電極３６との間、及び、駆動電極３３と共通下電極３７との間には、それぞれ向きが反対の電場が生じる。
【００４０】
これらの各電極３３，３６，３７を構成する材料としては、例えば、金属単体、合金、電気絶縁性セラミックスと金属との混合物等の各種導体が選択されるが、焼成温度において変質等の不具合が生じないことが要求される。本実施形態では、共通上電極３６に金を用い、共通下電極３７及び駆動電極３３に白金を用いている。
【００４１】
上記の上層圧電体３４と下層圧電体３５は共に圧電材料によって作製されている。この圧電材料としては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とするものなど、種々の材料を用いることができる。そして、上層圧電体３４と下層圧電体３５とは反対方向に分極されている。このため、駆動信号印加時の伸縮方向が上層圧電体３４と下層圧電体３５とで揃い、支障なく変形することができる。即ち、上層圧電体３４及び下層圧電体３５は、駆動電極３３の電位を高くする程に圧力室２１の容積を少なくするように振動板２３を変形させ、駆動電極３３の電位を低くする程に圧力室２１の容積を増やすように振動板２３を変形させる。
【００４２】
そして、本実施形態では、圧電素子２６を効率よく変形させるため、即ち、印加電圧に対する変形量を増大させるために、上層圧電体３４を下層圧電体３５よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で作製し、焼成後における上層圧電体３４の残留応力を下層圧電体３５の残留応力よりも小さくしている。
【００４３】
このように焼成後における上層圧電体３４の残留応力を下層圧電体３５の残留応力よりも小さくすると、駆動信号の供給時において上層圧電体３４を下層圧電体３５よりも変形させ易くすることができる。即ち、上層圧電体３４の方を下層圧電体３５よりも大きく撓ませることができる。そして、上層圧電体３４が下層圧電体３５よりも相対的に大きく撓むと、上層圧電体３４の方が振動板２３から離隔しているため、その変形量が増幅されて振動板２３に作用し、振動板２３の変形量を大きくすることができる。
【００４４】
例えば、上層圧電体３４と下層圧電体３５の積層高さ（要するに圧電素子２６の高さ）、幅、及び、長さが同じであって、上層圧電体３４の方が下層圧電体３５よりも厚い構造の圧電素子と比較すると、本実施形態の圧電素子２６は、相対的に変形量が大きい上層圧電体３４が振動板２３から離れて位置しているのに対し、比較例の圧電素子では相対的に変形量が大きい下層圧電体３５が振動板２３の間近に位置することになる。そして、変形量が大きい圧電体層が振動板２３から離れている方が振動板２３を大きく変形できるので、本実施形態の圧電素子２６の方が振動板２３をより大きく変形させることができる。なお、圧電素子２６の高さ、幅、長さが同じであることから、静電容量については、本実施形態の圧電素子２６と比較例の圧電素子で同じである。
【００４５】
そして、振動板２３を大きく変形できることから、図６に示す収縮時において、圧力室２１の容積をより小さくできる。従って、単に多層構造の圧電素子２６を用いた場合よりも、圧力室２１の膨張時と収縮時の容積差を広げることができ、インク滴の吐出量を増やすことができる。
【００４６】
ここで、熱収縮率の相違する材料としては、種々のものが考えられる。例えば、圧電材料の一種であるチタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（ＺｒＸ・Ｔｉ１−Ｘ）Ｏ３］では、ＺｒとＴｉの添加比率を変えることで収縮率を変えることができる。
一例を挙げると、ＺｒとＴｉを２２：７８の比率で添加したものと、４０：６０の比率で添加したものとでは、２２：７８の比率の方が収縮率が大きい。
【００４７】
また、この収縮率は、焼成温度によっても相違する。従って、上記の添加比率と焼成温度とを調整し、所望の収縮率としたチタン酸ジルコン酸鉛を上層圧電体３４に用いることで、その残留応力を制御することができる。
【００４８】
また、この熱収縮率については圧電材料毎に相違する。このため、所望の収縮率が得られる圧電材料を上層圧電体３４と下層圧電体３５とに用いることでも、同様の効果が得られる。上記のチタン酸ジルコン酸鉛以外の圧電材料としては、例えば、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、チタン酸鉛等があるが、これらの圧電材料の中から収縮率に基づき２種類を選択し、選択した圧電材料によって各層圧電体３４，３５を作製してもよい。
【００４９】
さらに、圧電材料が同じであっても、その熱収縮率はスラリー中のバインダーの含有割合によって相違する。即ち、このバインダーは、焼成によって圧電材料から除去されてしまうので、含有割合が多い程に熱収縮率が大きくなる。従って、スラリー中のバインダーの含有割合に関し、上層圧電体３４の方を下層圧電体３５よりも少なくすることにより、上層圧電体３４の熱収縮率を下層圧電体３５の熱収縮率よりも小さくすることができる。その結果、焼成後における残留応力に関し、上層圧電体３４の方を下層圧電体３５よりも小さくすることができる。
【００５０】
また、同様の観点から、上層圧電体３４を下層圧電体３５よりも圧電定数が大きい圧電材料で構成してもよい。このように構成した場合、各層圧電体の厚さが同じ（つまり、付与される電場が同じ強さ）であっても、上層圧電体３４の変形量を下層圧電体３５の変形量よりも大きくすることができ、同様の作用効果を得ることができる。即ち、上層圧電体３４の方が振動板２３から離隔しているため、その変形量が増幅されて振動板２３に作用し、振動板２３の変形量を大きくすることができる。
【００５１】
例えば、上記のチタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（ＺｒＸ・Ｔｉ１−Ｘ）Ｏ３］においては、ＺｒとＴｉの添加比率を変えることにより、圧電定数を変えることができる。一例を挙げると、ＺｒとＴｉを５２：４８の比率で添加した場合には、圧電定数（ｄ３１）は９３．５×１０−１２となる。そして、ＺｒとＴｉを６０：４０の比率で添加した場合には、圧電定数は４４．２×１０−１２となる。なお、この圧電定数は、温度や湿度等の焼成環境の違いによっても変化する。
【００５２】
従って、所望の圧電定数に調整した２種類のチタン酸ジルコン酸鉛を、上層圧電体３４と下層圧電体３５とに用いることで、上層圧電体３４の変形量を下層圧電体３５の変形量よりも大きくすることができる。
【００５３】
また、圧電定数は、圧電材料の種類によっても相違する。このため、各層圧電体３４，３５を異なる圧電材料で構成してもよい。
【００５４】
さらに、本実施形態では圧電素子２６の上層圧電体３４に関し、その幅方向の断面形状が下層圧電体３５とは反対側に凸となるように設けている。以下、この点について説明する。
【００５５】
図５は圧電素子２６を電極幅方向（短尺方向）に切断した図である。この圧電素子２６において、駆動電極３３の幅方向両端のそれぞれから上下方向に設定される一対の第１仮想線Ｌ１，Ｌ１の範囲内の部分を幅中央領域ＷＣとする。また、この第１仮想線Ｌ１よりも幅方向外側の部分を幅端部領域ＷＬ，ＷＲとする。即ち、幅中央領域ＷＣよりも左側の部分を左幅端部領域ＷＬとし、幅中央領域ＷＣよりも右側の部分を右幅端部領域ＷＲとする。
【００５６】
この図５に示すように、下層圧電体３５は共通下電極３７をその全幅を越えて覆うように設けられ、上層圧電体３４は駆動電極３３をその全幅を越えて覆うように設けられている。このため、駆動電極３３は、その大部分が両圧電体層３４，３５内に埋設された状態となる。また、駆動電極３３と共通下電極３７との間には電気絶縁性を有する下層圧電体３５が存在するので、駆動電極３３と共通下電極３７との短絡を確実に防止することもできる。
【００５７】
そして、上層圧電体３４に関し、幅端部領域ＷＬ，ＷＲ内の厚さを幅方向外側に向かう程に漸次薄くし、当該領域ＷＬ，ＷＲ内の厚さを幅中央領域ＷＣ内の厚さよりも薄く構成している。これにより、この上層圧電体３４を下層圧電体３５とは反対側に凸となるように設けている。
【００５８】
このように構成することにより、幅端部領域ＷＬ，ＷＲにおける各圧電体層３４，３５の応力が幅中央領域ＷＣにおける各圧電体層３４，３５の応力よりも小さくなる。このため、幅端部領域ＷＬ，ＷＲの部分が幅中央領域ＷＣの部分よりも撓み易くなり、圧電素子２６を効率よく変形させることができる。即ち、圧力室２１の膨張状態（図５の状態）から収縮状態（図６の状態）へ移行する際に必要となるエネルギーの量を少なくすることができる。
【００５９】
そして、上層圧電体３４に関し、その表面は段差がなく滑らかであるため、共通上電極３６を欠損させることなく一様に形成できる。これにより、共通上電極３６の断線や上層圧電体３４の部分的な非変形等の不具合も防止できる。その結果、圧電素子２６の信頼性を高めることもできる。
【００６０】
なお、上層圧電体３４と下層圧電体３５の収縮率に差を与えるにあたり、上記実施形態では、元素（Ｚｒ，Ｔｉ）の添加比率、圧電材料の組み合わせ、バインダーの含有割合を変えた場合について説明したが、この場合に限定されるものではない。例えば、圧電材料の粒径や見掛け密度等を上層圧電体３４と下層圧電体３５で変えることによっても収縮率に差を与えることができる。
【００６１】
また、以上は、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド１を例に挙げて説明したが、本発明は他の用途にも適用できる。例えば、マイクロポンプや発音体にも適用できる。さらに、各製品の一部を構成する部品、例えば、圧電素子２６を振動板２３上に設けた圧電アクチュエータにも適用できる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば以下の効果を奏する。
【００６３】
即ち、上層圧電体を、下層圧電体よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で構成したので、上層圧電体内の残留応力を少なくすることができ、電場に対する変形量を大きくすることができる。従って、効率よく変形させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】記録ヘッドの構成を説明する分解斜視図である。
【図２】アクチュエータユニット及び流路ユニットを説明する断面図である。
【図３】ノズルプレートを説明する部分拡大図である。
【図４】（ａ）は圧電素子の平面図、（ｂ）は長手方向に切断した圧電素子の断面図である。
【図５】圧電素子を幅方向に切断した状態を模式化した図である。
【図６】変形状態（圧力室の収縮状態）を模式化した図である。
【符号の説明】
１ 記録ヘッド
２ 流路ユニット
３ アクチュエータユニット
４ 配線基板
５ インク供給口
６ ノズル連通口
７ 供給口形成基板
８ 共通インク室
９ インク室形成基板
１０ ノズル開口
１１ ノズルプレート
１２ ノズル列
２１ 圧力室
２２ 圧力室形成基板
２３ 振動板
２４ 供給側連通口
２５ 蓋部材
２６ 圧電素子
３１ 圧電体層
３２ 共通枝電極
３３ 駆動電極
３４ 上層圧電体
３５ 下層圧電体
３６ 共通上電極
３７ 共通下電極
３８ 共通幹電極
【請求項１】互いに積層された上層圧電体と下層圧電体を有し、電場に応じて変形する圧電体層と、
前記上層圧電体と下層圧電体との間に第１の電極を形成し、該第１の電極とは反対側となる下層圧電体の下部に第２の電極を、第１の電極とは反対側となる上層圧電体の上部に第３の電極をそれぞれ形成した圧電素子であって、
前記上層圧電体を下層圧電体よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で作製し、焼成後における上層圧電体の残留応力を下層圧電体の残留応力よりも小さくしたことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】前記上層圧電体を、その幅方向の断面形状が下層圧電体とは反対側に凸となるように設けたことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の圧電素子を、振動板表面に形成したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】ノズル開口に連通された圧力室と、該圧力室の一部を区画する振動板と、前記圧力室とは反対側の振動板表面に設けられた圧電素子とを備え、圧電素子の変形によって圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで、液体を液滴状にして吐出させる液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電素子を、請求項１又は請求項２に記載の圧電素子によって構成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動信号の供給によって変形する圧電素子、この圧電素子を駆動源として用いた圧電アクチュエータ及び液体噴射ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子は、圧電効果を示す圧電材料である、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＺｒＯ３、ＰｂＴｉＯ３などの金属酸化物の粉末を圧縮焼成した圧電セラミックス、または高分子化合物を利用した圧電性高分子膜などから成る電気エネルギーの供給によって変形するものであり、例えば、液体噴射ヘッド、マイクロポンプ、発音体（スピーカ等）用の駆動素子として広く用いられている。ここで、液体噴射ヘッドは、ノズル開口から液滴を吐出させるものであり、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレーの製造に用いられる液晶噴射ヘッド、カラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド等がある。また、マイクロポンプは、極く微量の液体を扱うことができる超小型のポンプであり、例えば、極く少量の薬液を送出する際に用いられる。
【０００３】
このような圧電素子では、高周波駆動に対する強い要請があり、素子自体の剛性を高めることが求められている。例えば、上記の記録ヘッドにおいて、圧電素子は１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚもの高周波数で駆動される。このような駆動条件で耐久性を向上させるためには、素子自体の剛性を高めることが必要となる。ここで、単に素子自体の剛性を高めるだけなら圧電体層を厚くすればよいが、この場合十分な変形量を得るためには駆動電圧を高くしなければならず、高周波駆動に適さない。
【０００４】
そして、必要な剛性が得られ従来と同程度の駆動電圧で駆動できる圧電素子として、多層構造の圧電素子が提案されている。例えば、特開平２−２８９３５２号公報（特許文献１）には、圧電体層を上層圧電体と下層圧電体の２層構造とし、上層圧電体と下層圧電体の境界に駆動電極（個別電極）を形成すると共に、上層圧電体の外表面と下層圧電体の外表面とにそれぞれ共通電極を形成した構造の圧電素子が開示されている。同様に、特開平１０−３４９２４号公報（特許文献２）にも多層構造の圧電素子が開示されている。
【０００５】
上記多層構造の圧電素子では、上層圧電体と下層圧電体の境界に駆動電極が設けられているので、各層の圧電素子には、駆動電極から各共通電極までの間隔（即ち、各層圧電体の厚さ）と、駆動電極と各共通電極の電位差とによって定まる強さの電場が付与される。このため、共通電極と駆動電極とで単層の圧電体を挟んだ単層構造の圧電素子と比べた場合、圧電素子全体の厚さを多少厚くして剛性を高めても、従来と同じ駆動電圧で大きく変形させることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２−２８９３５２号公報
【特許文献２】
特開平１０−３４９２４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記多層構造の圧電素子を単に用いただけでは、近年の高い要請に応え得る程度の特性は得られなかった。このため、実際の製品としては、単層の圧電体を共通電極と駆動電極とで挟んだ単層構造の圧電素子を用いることを余儀なくされている。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、多層構造の圧電素子における変形効率をより向上させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１に記載のものは、互いに積層された上層圧電体と下層圧電体を有し、電場に応じて変形する圧電体層と、
前記上層圧電体と下層圧電体との間に第１の電極を形成し、該第１の電極とは反対側となる下層圧電体の下部に第２の電極を、第１の電極とは反対側となる上層圧電体の上部に第３の電極をそれぞれ形成した圧電素子であって、
前記上層圧電体を下層圧電体よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で作製し、焼成後における上層圧電体の残留応力を下層圧電体の残留応力よりも小さくしたことを特徴とする圧電素子である。
【００１０】
ここで、「上、下」とあるのは、圧電素子が設けられる支持部材（例えば振動板）を基準とした位置関係を示している。即ち、この支持部材から近い側を「下」とし、支持部材から遠い側を「上」として示している。
【００１１】
請求項２に記載のものは、前記上層圧電体を、その幅方向の断面形状が下層圧電体とは反対側に凸となるように設けたことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子である。
【００１２】
請求項３に記載のものは、請求項１又は請求項２に記載の圧電素子を、振動板表面に形成したことを特徴とする圧電アクチュエータである。
【００１３】
請求項４に記載のものは、ノズル開口に連通された圧力室と、該圧力室の一部を区画する振動板と、前記圧力室とは反対側の振動板表面に設けられた圧電素子とを備え、圧電素子の変形によって圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで、液体を液滴状にして吐出させる液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電素子を、請求項１又は請求項２に記載の圧電素子によって構成したことを特徴とする液体噴射ヘッドである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、圧電素子を用いた記録ヘッド（液体噴射ヘッドの一種）を例に挙げて説明する。図１に例示するように、この記録ヘッド１は、流路ユニット２と、複数のアクチュエータユニット３…と、フィルム状の配線基板４とから概略構成されている。そして、流路ユニット２の表面に各アクチュエータユニット３…を横並びに接合し、流路ユニット２とは反対側のアクチュエータユニット３の表面に配線基板４を取り付けている。
【００１５】
流路ユニット２は、図２に示すように、オリフィスとしてのインク供給口５及びノズル連通口６の一部となる通孔を開設した供給口形成基板７と、共通インク室８となる通孔及びノズル連通口６の一部となる通孔を開設したインク室形成基板９と、ノズル開口１０…を副走査方向（即ち、記録ヘッド１の移動方向である主走査方向に対して直交する方向）に沿って開設したノズルプレート１１から構成されている。これらの供給口形成基板７、インク室形成基板９、及び、ノズルプレート１１は、例えば、ステンレス製の板材をプレス加工することで作製されている。
【００１６】
そして、流路ユニット２は、インク室形成基板９の一方の表面（図中下側）にノズルプレート１１を、他方の表面（同上側）に供給口形成基板７をそれぞれ配置し、これらの供給口形成基板７、インク室形成基板９、及び、ノズルプレート１１を接合することで作製される。例えば、シート状の接着剤によって各部材７，９，１１を接着することで作製される。
【００１７】
上記のノズル開口１０は、図３に示すように、所定ピッチで複数個列状に開設される。そして、列設された複数のノズル開口１０…によってノズル列１２が構成される。例えば、９２個のノズル開口１０…で１つのノズル列１２が構成される。また、このノズル列１２は、１つのアクチュエータユニット３に対して２列形成される。そして、本実施形態の記録ヘッド１は３つのアクチュエータユニット３…を備えているため、１つの流路ユニット２に対して合計６列のノズル列１２…が横並びに形成される。
【００１８】
アクチュエータユニット３は、ヘッドチップとも呼ばれる部材である。このアクチュエータユニット３は、圧力室２１となる通孔を開設した圧力室形成基板２２と、圧力室２１の一部を区画する振動板２３と、供給側連通口２４となる通孔及びノズル連通口６の一部となる通孔を開設した蓋部材２５と、駆動源としての圧電素子２６とによって構成される。これら各部材２２，２３，２５の板厚に関し、圧力室形成基板２２、及び、蓋部材２５は、好ましくは５０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上である。また、振動板２３は、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３〜１２μｍ程度である。本実施形態の振動板２３は、約６μｍの厚さに作製されている。
【００１９】
なお、このアクチュエータユニット３において、振動板２３と圧電素子２６が本発明の圧電アクチュエータを構成する。また、振動板２３は、圧電素子２６が設けられる支持部材の一種である。
【００２０】
このアクチュエータユニット３は、複数ユニット分の構成要素（圧力室２１…や圧電素子２６…等）が形成されたセラミックスシートから作製される。例えば、アルミナや酸化ジルコニウムなどのセラミックス原料、バインダー、及び、液媒によってセラミックスのスラリーを調整し、ドクターブレード装置やリバースロールコーター装置等の一般的な装置を用いて、このスラリーをグリーンシート（未焼成のシート材）に成形する。そして、このグリーンシートに対して切削や打ち抜き等の加工を施して必要な通孔等を形成するなどして、圧力室形成基板２２、振動板２３、及び、蓋部材２５の各シート状前駆体を作製する。
【００２１】
そして、圧力室形成基板２２となる前駆体の一方の表面に蓋部材２５の前駆体を、他方の表面に振動板２３の前駆体をそれぞれ配置して焼成することにより、各前駆体は一体化されて１枚のシート状部材となる。この焼成後のシート状部材に対して圧電素子２６等を形成することでセラミックスシートが作製される。この場合において、各シート状前駆体や圧電素子２６は焼成により一体化されるので、特別な接着処理が不要である。また、各部材の接合面において高いシール性を得ることもできる。
【００２２】
セラミックスシートを作製したならば、このセラミックスシートを切断することにより、複数のアクチュエータユニット３…が得られる。
【００２３】
上記の圧力室２１は、ノズル列１２とは直交する方向に細長い空部であり、図３に示すように、ノズル開口１０に対応する複数形成され、ノズル列方向に並べられた状態で設けられている。そして、各圧力室２１…の一端は、ノズル連通口６を通じて対応するノズル開口１０に連通する。また、ノズル連通口６とは反対側の圧力室２１の他端は、供給側連通口２４及びインク供給口５を通じて共通インク室８に連通している。さらに、この圧力室２１の一部は、振動板２３によって区画されている。
【００２４】
上記の圧電素子２６は、所謂撓み振動モードの圧電素子であり、圧力室２１とは反対側の振動板表面に圧力室２１毎に形成されている。この圧電素子２６の幅Ｗ（図５参照）は圧力室２１の幅（内寸法）と略等しく、長さは圧力室２１の長さよりも多少長い。さらに、この圧電素子２６は、その両端部が圧力室２１の長手方向両端部を越えるように配設されている。
【００２５】
この圧電素子２６は、例えば、図４や図５に示すように、圧電体層３１と共通枝電極３２と駆動電極３３等によって構成されており、駆動電極３３と共通枝電極３２によって圧電体層３１を挟んでいる。なお、この圧電素子２６の構造については、後で詳しく説明する。
【００２６】
そして、駆動電極３３には駆動信号の供給源（図示せず）が電気的に接続され、共通枝電極３２は例えば接地電位に調整される。駆動電極３３に駆動信号が供給されると、駆動電極３３と共通枝電極３２との間には電位差に応じた強さの電場が発生される。この電場は圧電体層３１に付与され、圧電体層３１は電場の強さに応じて変形する。
【００２７】
即ち、駆動電極３３の電位を高くする程、圧電体層３１は電場と直交する方向に収縮し、圧力室２１の容積を少なくするように振動板２３を変形させる（例えば図６の状態）。一方、駆動電極３３の電位を低くする程、圧電体層３１は電界と直交する方向に伸長し、圧力室２１の容積を増やすように振動板２３を変形させる。
【００２８】
そして、このアクチュエータユニット３と上記の流路ユニット２とは、互いに接合される。例えば、供給口形成基板７と蓋部材２５との間にシート状接着剤を介在させ、この状態でアクチュエータユニット３を流路ユニット２側に加圧することで接着される。
【００２９】
上記構成の記録ヘッド１は、共通インク室８からインク供給口５、供給側連通口２４、圧力室２１、及び、ノズル連通口６を通じてノズル開口１０に至る一連のインク流路がノズル開口１０毎に形成されている。使用時においてこのインク流路内はインクで満たされている。そして、圧電素子２６を変形させることで対応する圧力室２１が収縮或いは膨張し、圧力室２１内のインクに圧力変動が生じる。このインク圧力を制御することで、ノズル開口１０からインク滴を吐出させることができる。例えば、定常容積の圧力室２１を一旦膨張させた後に急激に収縮させると、圧力室２１の膨張に伴ってインクが充填され、その後の急激な収縮によって圧力室２１内のインクが加圧されてインク滴が吐出される。
【００３０】
ここで、高速記録のためには、より多くのインク滴を短時間で吐出させる必要がある。この要求に応えるためには、圧電素子２６の剛性と駆動電圧とを考慮する必要がある。即ち、従来よりも高い周波数での駆動に耐えるため、剛性を従来よりも高める必要がある。また、高周波駆動を実現するにあたっては駆動電圧を高くすることは好ましくない。
【００３１】
そこで、本実施形態では、多層構造の圧電素子２６を用いている。以下、この点について説明する。
【００３２】
まず、図４及び図５を参照して、圧電素子２６の構造について詳細に説明する。上記の圧電体層３１は、圧力室長手方向に細長いブロック状に成形され、互いに積層された上層圧電体（外側圧電体）３４及び下層圧電体（内側圧電体）３５から構成される。また、共通枝電極３２は、共通上電極（共通外電極，本発明の第３の電極）３６及び共通下電極（共通内電極，本発明の第２の電極）３７から構成される。そして、これらの電極３６，３７と駆動電極３３とが電極層を構成する。
【００３３】
なお、ここでいう「上（外）」或いは「下（内）」とは、振動板２３（支持部材の一種）を基準とした位置関係を示している。即ち、「上（外）」とあるのは振動板２３から遠い側を示し、「下（内）」とあるのは振動板２３に近い側を示している。
【００３４】
上記の駆動電極３３は個別電極（本発明の第１の電極）として機能し、上層圧電体３４と下層圧電体３５の境界に形成される。また、共通上電極３６び共通下電極３７は、共通幹電極３８と共に共通電極を構成する。即ち、この共通電極は、共通幹電極３８から複数の共通枝電極３２（共通上電極３６，共通下電極３７）…が延出形成された櫛歯状に形成されている。
【００３５】
上記の共通下電極３７は駆動電極３３とは反対側の下層圧電体３５の下部に形成され、共通上電極３６は駆動電極３３とは反対側の上層圧電体３４の上部に形成される。即ち、この圧電素子２６は、振動板側から、共通下電極３７、下層圧電体３５、駆動電極３３、上層圧電体３４、共通上電極３６の順で積層された多層構造である。そして、この圧電素子２６では、下層圧電体３５により共通下電極３７をその全幅を越えて覆うと共に、上層圧電体３４により駆動電極３３をその全幅を越えて覆っている。従って、駆動電極３３は、その幅方向において両圧電体層３４，３５内に埋設された状態となる。
【００３６】
本実施形態における圧電体層３１の厚さは、幅方向の中央部分にて、上層圧電体３４と下層圧電体３５の２層を合計して約１７μｍである。そして、共通下電極３７の厚さが約３μｍであり、共通上電極の厚さが０．３μｍ程度であるため、共通枝電極３２を含めた圧電素子２６の全体の厚さは約２０μｍである。
【００３７】
なお、従来の単層構造の圧電素子２６は、素子全体の厚さが約１５μｍである。従って、圧電素子２６の厚さが増したことから、その分だけ圧力室２１における変形部分（即ち、振動板２３及び圧電素子２６の全体）の剛性が増している。
【００３８】
また、上記したように、圧電素子２６の長さは圧力室２１の長手方向の長さよりも長く、その長手方向の両端部は同じ側に位置する圧力室２１の端を越えて形成されている。そして、圧電素子２６の幅Ｗは、圧力室２１の幅と同寸法に揃えられている。従って、各圧電素子２６…は、圧力室２１の長手方向を覆う状態で形成されていると表現することもできる。
【００３９】
上記の共通上電極３６及び共通下電極３７は、駆動信号に拘わらず一定の電位、例えば接地電位に調整される。上記の駆動電極３３は、供給された駆動信号に応じて電位を変化させる。従って、駆動信号の供給によって、駆動電極３３と共通上電極３６との間、及び、駆動電極３３と共通下電極３７との間には、それぞれ向きが反対の電場が生じる。
【００４０】
これらの各電極３３，３６，３７を構成する材料としては、例えば、金属単体、合金、電気絶縁性セラミックスと金属との混合物等の各種導体が選択されるが、焼成温度において変質等の不具合が生じないことが要求される。本実施形態では、共通上電極３６に金を用い、共通下電極３７及び駆動電極３３に白金を用いている。
【００４１】
上記の上層圧電体３４と下層圧電体３５は共に圧電材料によって作製されている。この圧電材料としては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とするものなど、種々の材料を用いることができる。そして、上層圧電体３４と下層圧電体３５とは反対方向に分極されている。このため、駆動信号印加時の伸縮方向が上層圧電体３４と下層圧電体３５とで揃い、支障なく変形することができる。即ち、上層圧電体３４及び下層圧電体３５は、駆動電極３３の電位を高くする程に圧力室２１の容積を少なくするように振動板２３を変形させ、駆動電極３３の電位を低くする程に圧力室２１の容積を増やすように振動板２３を変形させる。
【００４２】
そして、本実施形態では、圧電素子２６を効率よく変形させるため、即ち、印加電圧に対する変形量を増大させるために、上層圧電体３４を下層圧電体３５よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で作製し、焼成後における上層圧電体３４の残留応力を下層圧電体３５の残留応力よりも小さくしている。
【００４３】
このように焼成後における上層圧電体３４の残留応力を下層圧電体３５の残留応力よりも小さくすると、駆動信号の供給時において上層圧電体３４を下層圧電体３５よりも変形させ易くすることができる。即ち、上層圧電体３４の方を下層圧電体３５よりも大きく撓ませることができる。そして、上層圧電体３４が下層圧電体３５よりも相対的に大きく撓むと、上層圧電体３４の方が振動板２３から離隔しているため、その変形量が増幅されて振動板２３に作用し、振動板２３の変形量を大きくすることができる。
【００４４】
例えば、上層圧電体３４と下層圧電体３５の積層高さ（要するに圧電素子２６の高さ）、幅、及び、長さが同じであって、上層圧電体３４の方が下層圧電体３５よりも厚い構造の圧電素子と比較すると、本実施形態の圧電素子２６は、相対的に変形量が大きい上層圧電体３４が振動板２３から離れて位置しているのに対し、比較例の圧電素子では相対的に変形量が大きい下層圧電体３５が振動板２３の間近に位置することになる。そして、変形量が大きい圧電体層が振動板２３から離れている方が振動板２３を大きく変形できるので、本実施形態の圧電素子２６の方が振動板２３をより大きく変形させることができる。なお、圧電素子２６の高さ、幅、長さが同じであることから、静電容量については、本実施形態の圧電素子２６と比較例の圧電素子で同じである。
【００４５】
そして、振動板２３を大きく変形できることから、図６に示す収縮時において、圧力室２１の容積をより小さくできる。従って、単に多層構造の圧電素子２６を用いた場合よりも、圧力室２１の膨張時と収縮時の容積差を広げることができ、インク滴の吐出量を増やすことができる。
【００４６】
ここで、熱収縮率の相違する材料としては、種々のものが考えられる。例えば、圧電材料の一種であるチタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（ＺｒＸ・Ｔｉ１−Ｘ）Ｏ３］では、ＺｒとＴｉの添加比率を変えることで収縮率を変えることができる。
一例を挙げると、ＺｒとＴｉを２２：７８の比率で添加したものと、４０：６０の比率で添加したものとでは、２２：７８の比率の方が収縮率が大きい。
【００４７】
また、この収縮率は、焼成温度によっても相違する。従って、上記の添加比率と焼成温度とを調整し、所望の収縮率としたチタン酸ジルコン酸鉛を上層圧電体３４に用いることで、その残留応力を制御することができる。
【００４８】
また、この熱収縮率については圧電材料毎に相違する。このため、所望の収縮率が得られる圧電材料を上層圧電体３４と下層圧電体３５とに用いることでも、同様の効果が得られる。上記のチタン酸ジルコン酸鉛以外の圧電材料としては、例えば、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、チタン酸鉛等があるが、これらの圧電材料の中から収縮率に基づき２種類を選択し、選択した圧電材料によって各層圧電体３４，３５を作製してもよい。
【００４９】
さらに、圧電材料が同じであっても、その熱収縮率はスラリー中のバインダーの含有割合によって相違する。即ち、このバインダーは、焼成によって圧電材料から除去されてしまうので、含有割合が多い程に熱収縮率が大きくなる。従って、スラリー中のバインダーの含有割合に関し、上層圧電体３４の方を下層圧電体３５よりも少なくすることにより、上層圧電体３４の熱収縮率を下層圧電体３５の熱収縮率よりも小さくすることができる。その結果、焼成後における残留応力に関し、上層圧電体３４の方を下層圧電体３５よりも小さくすることができる。
【００５０】
また、同様の観点から、上層圧電体３４を下層圧電体３５よりも圧電定数が大きい圧電材料で構成してもよい。このように構成した場合、各層圧電体の厚さが同じ（つまり、付与される電場が同じ強さ）であっても、上層圧電体３４の変形量を下層圧電体３５の変形量よりも大きくすることができ、同様の作用効果を得ることができる。即ち、上層圧電体３４の方が振動板２３から離隔しているため、その変形量が増幅されて振動板２３に作用し、振動板２３の変形量を大きくすることができる。
【００５１】
例えば、上記のチタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（ＺｒＸ・Ｔｉ１−Ｘ）Ｏ３］においては、ＺｒとＴｉの添加比率を変えることにより、圧電定数を変えることができる。一例を挙げると、ＺｒとＴｉを５２：４８の比率で添加した場合には、圧電定数（ｄ３１）は９３．５×１０−１２となる。そして、ＺｒとＴｉを６０：４０の比率で添加した場合には、圧電定数は４４．２×１０−１２となる。なお、この圧電定数は、温度や湿度等の焼成環境の違いによっても変化する。
【００５２】
従って、所望の圧電定数に調整した２種類のチタン酸ジルコン酸鉛を、上層圧電体３４と下層圧電体３５とに用いることで、上層圧電体３４の変形量を下層圧電体３５の変形量よりも大きくすることができる。
【００５３】
また、圧電定数は、圧電材料の種類によっても相違する。このため、各層圧電体３４，３５を異なる圧電材料で構成してもよい。
【００５４】
さらに、本実施形態では圧電素子２６の上層圧電体３４に関し、その幅方向の断面形状が下層圧電体３５とは反対側に凸となるように設けている。以下、この点について説明する。
【００５５】
図５は圧電素子２６を電極幅方向（短尺方向）に切断した図である。この圧電素子２６において、駆動電極３３の幅方向両端のそれぞれから上下方向に設定される一対の第１仮想線Ｌ１，Ｌ１の範囲内の部分を幅中央領域ＷＣとする。また、この第１仮想線Ｌ１よりも幅方向外側の部分を幅端部領域ＷＬ，ＷＲとする。即ち、幅中央領域ＷＣよりも左側の部分を左幅端部領域ＷＬとし、幅中央領域ＷＣよりも右側の部分を右幅端部領域ＷＲとする。
【００５６】
この図５に示すように、下層圧電体３５は共通下電極３７をその全幅を越えて覆うように設けられ、上層圧電体３４は駆動電極３３をその全幅を越えて覆うように設けられている。このため、駆動電極３３は、その大部分が両圧電体層３４，３５内に埋設された状態となる。また、駆動電極３３と共通下電極３７との間には電気絶縁性を有する下層圧電体３５が存在するので、駆動電極３３と共通下電極３７との短絡を確実に防止することもできる。
【００５７】
そして、上層圧電体３４に関し、幅端部領域ＷＬ，ＷＲ内の厚さを幅方向外側に向かう程に漸次薄くし、当該領域ＷＬ，ＷＲ内の厚さを幅中央領域ＷＣ内の厚さよりも薄く構成している。これにより、この上層圧電体３４を下層圧電体３５とは反対側に凸となるように設けている。
【００５８】
このように構成することにより、幅端部領域ＷＬ，ＷＲにおける各圧電体層３４，３５の応力が幅中央領域ＷＣにおける各圧電体層３４，３５の応力よりも小さくなる。このため、幅端部領域ＷＬ，ＷＲの部分が幅中央領域ＷＣの部分よりも撓み易くなり、圧電素子２６を効率よく変形させることができる。即ち、圧力室２１の膨張状態（図５の状態）から収縮状態（図６の状態）へ移行する際に必要となるエネルギーの量を少なくすることができる。
【００５９】
そして、上層圧電体３４に関し、その表面は段差がなく滑らかであるため、共通上電極３６を欠損させることなく一様に形成できる。これにより、共通上電極３６の断線や上層圧電体３４の部分的な非変形等の不具合も防止できる。その結果、圧電素子２６の信頼性を高めることもできる。
【００６０】
なお、上層圧電体３４と下層圧電体３５の収縮率に差を与えるにあたり、上記実施形態では、元素（Ｚｒ，Ｔｉ）の添加比率、圧電材料の組み合わせ、バインダーの含有割合を変えた場合について説明したが、この場合に限定されるものではない。例えば、圧電材料の粒径や見掛け密度等を上層圧電体３４と下層圧電体３５で変えることによっても収縮率に差を与えることができる。
【００６１】
また、以上は、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド１を例に挙げて説明したが、本発明は他の用途にも適用できる。例えば、マイクロポンプや発音体にも適用できる。さらに、各製品の一部を構成する部品、例えば、圧電素子２６を振動板２３上に設けた圧電アクチュエータにも適用できる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば以下の効果を奏する。
【００６３】
即ち、上層圧電体を、下層圧電体よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で構成したので、上層圧電体内の残留応力を少なくすることができ、電場に対する変形量を大きくすることができる。従って、効率よく変形させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】記録ヘッドの構成を説明する分解斜視図である。
【図２】アクチュエータユニット及び流路ユニットを説明する断面図である。
【図３】ノズルプレートを説明する部分拡大図である。
【図４】（ａ）は圧電素子の平面図、（ｂ）は長手方向に切断した圧電素子の断面図である。
【図５】圧電素子を幅方向に切断した状態を模式化した図である。
【図６】変形状態（圧力室の収縮状態）を模式化した図である。
【符号の説明】
１ 記録ヘッド
２ 流路ユニット
３ アクチュエータユニット
４ 配線基板
５ インク供給口
６ ノズル連通口
７ 供給口形成基板
８ 共通インク室
９ インク室形成基板
１０ ノズル開口
１１ ノズルプレート
１２ ノズル列
２１ 圧力室
２２ 圧力室形成基板
２３ 振動板
２４ 供給側連通口
２５ 蓋部材
２６ 圧電素子
３１ 圧電体層
３２ 共通枝電極
３３ 駆動電極
３４ 上層圧電体
３５ 下層圧電体
３６ 共通上電極
３７ 共通下電極
３８ 共通幹電極
Claims (4)
- 互いに積層された上層圧電体と下層圧電体を有し、電場に応じて変形する圧電体層と、
互いに導通された共通上電極及び共通下電極と、駆動信号の供給源に導通される駆動電極を有し、前記圧電体層に付与される電場を発生する電極層とを備え、
前記上層圧電体と下層圧電体との間に駆動電極を形成し、駆動電極とは反対側となる下層圧電体の下部に共通下電極を、駆動電極とは反対側となる上層圧電体の上部に共通上電極をそれぞれ形成した圧電素子であって、
前記上層圧電体を下層圧電体よりも焼成時における収縮率の小さい圧電材料で作製し、焼成後における上層圧電体の残留応力を下層圧電体の残留応力よりも小さくしたことを特徴とする圧電素子。 - 前記上層圧電体を、その幅方向の断面形状が下層圧電体とは反対側に凸となるように設けたことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
- 請求項１又は請求項２に記載の圧電素子を、振動板表面に形成したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
- ノズル開口に連通された圧力室と、該圧力室の一部を区画する振動板と、前記圧力室とは反対側の振動板表面に設けられた圧電素子とを備え、圧電素子の変形によって圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで、液体を液滴状にして吐出させる液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧電素子を、請求項１又は請求項２に記載の圧電素子によって構成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
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