JP2006229058A - 圧電アクチュエータ、液滴吐出装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高変位を得るとともに製造コストを抑えること。
【解決手段】 板状の圧電体６１と、圧電体６１の厚さ方向の両側に配置されて圧電体６１を歪ませる駆動用として用いられる一対の電極６２、６３であって、圧電体６１に関して互いに面対称な部分６２２、６３２と非面対称な部分６２１、６３１とを有し、圧電体６１を分極させる分極用として兼用されて圧電体６１に厚さ方向に分極されている部分と厚さ方向に対して斜めの方向に分極されている部分とを形成する一対の電極と６２、６３を備えた。
【選択図】 図４

Description

本発明は圧電アクチュエータ、液滴吐出装置及び製造方法に係り、特に分極処理が施されて駆動電界の印加により変位する圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの変位を利用して液滴を吐出する液滴吐出装置及びこれらの製造方法に関する。

多数のノズル（孔）を有し、紙などの記録媒体に対して相対的に移動しながら、ノズルから記録媒体に向けてインク滴を吐出することにより、記録媒体上に画像を形成するインクジェットヘッドが知られている。

このようなインクジェットヘッドとしては、その一部が振動板により構成された圧力室にインクを供給し、画像データに応じた電気信号を圧電アクチュエータに付与して圧電アクチュエータを駆動することにより振動板を変形させて、圧力室の容積を減少させ、圧力室内のインクをノズルからインク滴として吐出するようにしたインクジェットヘッドが知られている。

このようなインクジェットヘッドに用いる圧電アクチュエータとしては、一般に、分極方向と同じ方向に駆動電界をかけて分極方向と直交する方向に発生する変位（歪み）を用いるいわゆる「３１モード」駆動のもの、分極方向と同じ方向に駆動電界をかけて分極方向に発生する変位を用いるいわゆる「３３モード」駆動のもの、分極方向と直交する方向に駆動電界をかけるいわゆる「１５モード」駆動のものなどがある。

従来の圧電アクチュエータの一例を図１３に示す。図１３において、圧電アクチュエータ９６０は、「３１モード」駆動であり、板状の圧電体９６１と、圧電体９６１を厚さ方向において両側から挟む一対のベタ面電極９６２、９６３とからなる。一対のベタ面電極９６２、９６３によって圧電体９６１は全体にわたって図１３中に矢印で示す厚さ方向に一様に分極される。このような分極後、圧電アクチュエータ９６０は振動板５６に貼り付けられる。その後、画像形成に係る画像データに応じた所定の電圧を一対のベタ面電極９６２、９６３に印加し、図１４に示すように、圧電体９６１の内部に発生する厚さ方向と直交する方向の変位を用いて、振動板５６に対して厚さ方向の応力をはたらかせる。図１５は、変位量が最大になった状態の振動板５６の形状を模式的に示す。

また、特許文献１には、「３３モード」駆動の圧電アクチュエータが記載されている。詳細には、シート状の圧電体を備え、この圧電体の両面において圧力室（キャビティ）の中央部分に対応する位置（圧力室の直上の位置）と側壁に対応する位置（圧力室の斜め上の位置）とにそれぞれ一対の駆動電極（合計で２対の駆動電極）が配置され、圧電体の分極の際には、中央側の一対の電極がプラス電極とされる一方で側壁側の一対の電極がマイナス電極とされて、圧電体は厚さ方向に直交する方向（面方向）に分極される。なお、駆動時にも分極方向と同じ方向に駆動電界をかける。

また、高変位を得ることを目的として、以下に説明するような各種構造の圧電アクチュエータが提案されている。

特許文献２には、シート状の圧電体を備え、この圧電体の両面において圧力室（キャビティ）の中央部分に対応する位置と周縁部分に対応する位置とにそれぞれ一対の駆動電極（ただし下部電極は共通電極である）が配置され、中央側の駆動電極と周縁側の駆動電極とで互いに逆向きの電圧を加えることにより、圧電体の中央部分と周縁部分とで互いに１８０度反対向きの歪みを発生させるようにしたものが記載されている。なお、分極方向も予め圧電体の中央部分と周縁部分とで互いに１８０度反対向きにしておく。

特許文献３には、分極方向に対して駆動電界方向が略直交する「１５モード」駆動の圧電アクチュエータであって圧電セラミックスの薄板をｎ枚積層した積層構造の圧電アクチュエータが記載されている。この積層構造の内部に複数の分極専用の内層電極を形成し、この分極専用の内層電極を用いて厚さ方向に直交する方向（面方向）に予め分極しておき、分極専用の内層電極を研磨などにより取り除いた後に駆動専用の電極を形成し、この駆動専用の電極により厚さ方向に電界をかける。この圧電アクチュエータでは、積層構造に起因して、微視的には、厚さ方向に直交する方向（面方向）に対してやや斜めの方向に分極されるとともに、この分極方向に対してやや斜めの方向に駆動電界がかけられることになるのだが、あくまでも「１５モード」駆動であり、前述のように、実質的には厚さ方向に直交する方向（面方向）に分極しておき分極方向に略直交するように厚さ方向に駆動電界をかけるようになっている。

特許文献４にも、「１５モード」駆動であって積層構造の圧電体アクチュエータが記載されている。この積層構造の内部に複数の分極専用の内層電極を形成し、分極前には分極専用の内層電極がスルーホール構造により圧電体の表面の引き出し電極に連結され、分極後には前記連結を切断し、分極電極自体は積層構造の内部に残る一方で、駆動時には駆動専用の電極が用いられる。

特許文献５には、積層構造の圧電アクチュエータであって、この積層構造の内部に複数の内層電極が形成されているとともに、厚さ方向に分極されて分極方向（厚さ方向）に電界をかけてその分極方向（厚さ方向）に変位を発生させる「３３モード」の駆動を行う中央部分（第１の領域）と、厚さ方向に分極されて分極方向（厚さ方向）と直交する方向に電界をかける「１５モード」の駆動を行う周囲部分（第２の領域）とを備えたものが記載されている。

特許文献６には、積層構造の圧電アクチュエータであって、この積層構造の内部に複数の内層電極が形成されているとともに、厚さ方向と直交する方向に分極されて分極方向（厚さ方向と直交する方向）に電界をかけてその分極方向（厚さ方向と直交する方向）の変位を利用する「３３モード」の駆動を行う上層と、厚さ方向に分極されて分極方向（厚さ方向）に電界をかけて分極方向（厚さ方向）と直交する方向の変位を利用する「３１モード」の駆動を行う下層とを備えたものが記載されている。
特開平１０−１１９２６２号公報（特に図１を参照） 特開２００３−８０９１号公報（特に図１を参照） 特開２００２−３５５９８１号公報（特に図１、図２及び図５を参照） 特開２００２−３６８２９７号公報（特に図１を参照） 特開２００３―２２４３１２号公報（特に図８を参照） 特開２００２−２９２８６９号公報（特に図４を参照）

しかし、従来の技術では、高変位が得られないか、あるいは高変位を得るために製造コストが増大するという問題があった。

特許文献１に記載のものは、２対の駆動電極が厚さ方向に直交する方向（面方向）に並べて配置されているので、図１３に示した圧電アクチュエータ９６０のように圧電体の両面を挟む駆動電極を備えたものと比較して、同一の電力を与えた場合にはどうしても変位量が小さくなってしまう。図１３の圧電アクチュエータと同等以上の変位を得ようとすると、駆動電界をより高くする必要があり、どうしても消費電力が大きくなってしまう。

特許文献２に記載のものは、分極方向を圧電体の中央部分と周縁部分とで互いに１８０度反対の向きにしなければならないため、一般に分極処理が２回必要になり、製造に手間がかかるので、どうしても製造コストが大きくなってしまう。

特許文献３に記載のものは、積層構造の内部に駆動電極とは別の分極専用の内層電極を形成する必要があり、また、分極後に分極専用の内層電極を研磨などにより除去する必要があって、製造に手間がかかるので、どうしても製造コストが大きくなってしまう。

特許文献４に記載のものは、積層構造の内部に駆動電極とは別の分極専用の内層電極を形成する必要があり、また、分極後に分極専用の内層電極と圧電体表面の引き出し電極との連結を切断する必要があって、製造に手間がかかるので、どうしても製造コストが大きくなってしまう。

特許文献５、６に記載のものは、複数のモードで駆動電界をかけるため、電極の数が多くなり、かつ、電極同士の互いの位置関係が複雑になってその位置の誤差が変位に影響を与えるので、互いの電極配置の不均一により、圧電アクチュエータ間の個体差が引き起こされやすく、性能を一定に保とうとすると歩留まりが低下して、どうしても製造コストが大きくなってしまう。

また、特許文献３、４、５、６に記載のものは、積層構造とすることが前提であるため、図１３に示したような単板で構成可能な従来の圧電アクチュエータと比較して、どうしても製造コストが大きくなってしまう。また、薄型化が難しいという問題もある。

次に、図１３に示す従来のアクチュエータ９６０における取付時の位置合わせ誤差の課題について説明する。

図１６（ａ）、（ｂ）は、従来の圧電アクチュエータ９６０及び圧力室５２の位置関係と応力に因る厚さ方向の変位量との関係を示す模式図である。なお、図１６（ａ）、（ｂ）では、簡略化のため圧電アクチュエータ９６０は図示を省略し、圧力室５２の中心を通る垂線Ａ５２と圧電アクチュエータ９６０の中心を通る垂線Ａ９６０とによって位置関係を示している。具体的には、図１６（ａ）は、垂線Ａ５２、Ａ９６０同士が一致している最も好ましい位置合わせ状態での振動板５６の厚さ方向の変位の様子を示しており、図１６（ｂ）は、垂線Ａ５２、Ａ９６０同士にずれが生じている位置合わせ状態での振動板５６の厚さ方向の変位の様子を示している。

図１６（ａ）、（ｂ）において、垂線Ａ５２、Ａ９６０同士にずれがある場合には、そのずれ量Ａgapに応じて振動板５６の厚さ方向の変位量が小さくなってしまう。具体的には、ずれ量Ａgapが大きくなればなるほど振動板５６の厚さ方向の変位量の差（h90-h91）が大きくなっていく。すなわち、従来の圧電アクチュエータ９６０では、位置合わせ誤差に起因して実際に製造された圧電体アクチュエータ９６０の個体間に性能差が出易く、このような性能差に起因して歩留まりが低下すると、製造コストが高くなってしまうという課題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高変位が得られるとともに製造コストを抑えることができる圧電アクチュエータ、液滴吐出装置及びこれらの製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、板状の圧電体と、前記圧電体の厚さ方向の両側に配置されて前記圧電体を歪ませる駆動用として用いられる一対の電極であって、前記圧電体に関して互いに面対称な部分と非面対称な部分とを有し、前記圧電体を分極させる分極用として兼用されて前記圧電体に厚さ方向に分極されている部分と厚さ方向に対して斜めの方向に分極されている部分とを形成する一対の電極を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータである。

この構成によって、一対の電極が圧電体に関して互いに面対称な部分と非面対称な部分とを有していることにより、これらの一対の電極が分極用として用いられたときには圧電体には厚さ方向に分極されている部分と厚さ方向に対して斜めの方向に分極されている部分とが形成されるとともに、一対の電極が駆動用として用いられたときには圧電体の内部において分極方向と略同一の方向に電界が発生して圧電体に歪みが発生するので、高変位が得られる。また、一対の電極が分極用及び駆動用に兼用されているので、分極専用電極を設けて、さらに分極後に分極専用の電極を除去するといった余分な工程が必要ない。また、厚さ方向と直交する方向（面方向）に、複数種類のモード用に複数の電極を並べる必要がない。

また、請求項２に記載のように、圧電体を単板で構成し得る。

この構成によって、高変位を得るために積層構造にした従来の圧電アクチュエータと比較して、製造コストを抑えることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記圧電体は、面方向の中央部分が厚さ方向に対して斜めの方向に分極されている一方で周辺部分が厚さ方向に分極されている構成になっている。

この構成によって、駆動電界の印加によって圧電体の周辺部分では主として面方向（厚さ方向に直交する方向）に歪むとともに中央部分では主として歪み方向が斜めになるので、応力に因る中央部分の実際の変形量が大きくなる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記一対の電極のうちいずれか一方に開口部が形成されている構成になっている。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記開口部の形状は、多角形、円形、又は、スリット状である構成になっている。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータによって容積が変化する圧力室と、前記圧力室に連通し前記圧力室の容積の変化に応じて液滴を吐出するノズルと、を備えた液滴吐出装置である。

請求項７に記載の発明は、請求項４又は５に記載の圧電アクチュエータを備え、前記圧力室の中心を通る垂線が前記電極の開口部を通るように前記圧電アクチュエータを配置した構成になっている。

請求項８に記載の発明は、板状の圧電体を形成する工程と、前記圧電体を歪ませる駆動用として用いられる一対の電極であって前記圧電体に関して互いに面対称な部分と非面対称な部分とを有する一対の電極を前記圧電体の厚さ方向の両側に形成する工程と、前記一対の電極を前記圧電体の分極用の電極として兼用し、前記圧電体に厚さ方向に分極されている部分と厚さ方向に対して斜めの方向に分極されている部分とを形成する工程を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法である。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、所定のノズルが連通する圧力室が形成されているプレートに対して、請求項８に記載の圧電アクチュエータの製造方法によって製造された圧電アクチュエータを所定の振動板を介して取り付ける工程を含む構成になっている。

本発明によれば、高変位が得られるとともに製造コストを抑えることができる。

以下、添付図面に従って、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る一実施形態の液滴吐出装置としてのインクジェットヘッド５０を示す平面透視図である。

図１において、インクジェットヘッド５０は、最大サイズの記録紙の少なくとも一辺を超える長さにわたって複数のノズル５１が配列されている。具体的には、インクジェットヘッド５０は、インク滴が吐出されるノズル５１、ノズル５１を介してインク滴を吐出する際にインクに圧力を付与する圧力室５２、及び、図示を省略した共通流路から圧力室５２に対してインクを供給するインク供給口５４を含んで構成される複数の圧力室ユニット５３が、２次元マトリクス状に配列されて構成されている。なお、図１に示す例においては、各圧力室５２を上方から見た場合に、圧力室ユニット５４は、その対角線の一方の端にノズル５１が形成され、他方の端にインク供給口５３が設けられている。

図１の２−２線に沿った断面図を図２に示す。

図２において、インクジェットヘッド５０は、インク滴を吐出する際に容積が変化してインクに圧力を付与する圧力室５２の一方の面に振動板５６が配置され、振動板５６を挟んで圧力室５２と反対側には圧力室５２の容積を変化させるように圧力を発生する圧力発生手段として圧電アクチュエータ６０が配置されている。振動板５６は、圧電アクチュエータ６０によって発生された圧力を圧力室５２に伝達する。

振動板５６は、複数の圧力室５２に共通のものとし１枚のプレートで形成されている。そして、振動板５６の各圧力室５２に対応する部分に、圧電アクチュエータ６０が圧力室５２とは１対１で配置されている。圧電アクチュエータ６０は、ピエゾ等の圧電体６１の厚さ方向における両側に、電界を与えるための電極６２、６３が形成されてなる。

なお、図２には、ノズル５１、圧力室５２、インク供給口５４、圧電アクチュエータ６０を、それぞれひとつずつしか図示していないが、実際には、インクジェットヘッド５０に複数形成されている。

このようなインクジェットヘッド５０は、下から、ノズル５１が形成されたノズルプレート５１０、圧力室５２が形成された圧力室プレート５２０、振動板５６、及び、圧電アクチュエータ６０を積層した構造になっている。

図３（ａ）は、圧電アクチュエータ６０の一例を示す斜視図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の圧電アクチュエータ６０を上下反対にして示す斜視図である。図４は、図３（ａ）の圧電アクチュエータ６０を分解して示す分解斜視図である。

圧電アクチュエータ６０の圧電体６１は、単板で構成されている。また、金属からなる一対の電極６２、６３が、圧電体６１の厚さ方向において圧電体６１の両側に形成されている。

一対の電極６２、６３は、互いに平面形状が異なっており、一方の電極６２は中抜きパターンであって面方向（厚さ方向に直交する方向）の中央部分に開口部６２１を有し、他方の電極６３は圧電体６１のひとつの面を隙間なく覆うベタ面を構成している。

以下、開口部を有するパターン面を構成する電極６２を「パターン面電極」と呼び、ベタ面を構成する電極６３を「ベタ面電極」と呼ぶことにする。

なお、図３（ａ）ではベタ面電極６３の表面が見えるように描かれており、図３（ｂ）ではパターン面電極６２の表面が見えるように描かれている。また、図４では、パターン面電極６２の裏面及びベタ面電極６３の表面が見えるように描かれている。

一対の電極６２、６３は、図４に示すように、圧電体６１を厚さ方向において２等分する２等分面６１０を面対称の中心として、ベタ面電極６３の周縁部分６３２とパターン面電極６２の周縁部分６２２とが面対称である一方で、ベタ面電極６３の中央部分６３１とパターン面電極６２の中央部分６２１（開口部である）とは非面対称である。言い換えれば、一対の電極６２、６３は、圧電体６１に関して互いに面対称な部分と非面対称な部分とを有している。なお、ベタ面電極６３の中央部分６３１と周縁部分６３２とは説明の便宜上分けて記載したが、構造物としては一体構造である。

また、図２に示す圧力室５２の中心Ｃ５２を通る垂線Ａ５２（圧電体６１、電極６２、６３及び振動板５６の垂線である）が、パターン面電極６２の開口部６２１を通るように圧電アクチュエータ６０が配置されている。圧電アクチュエータ６０が振動板５６に取り付けられる際に、基本的には圧力室５２の中心Ｃ５２を通る垂線Ａ５２が開口部６２１の中心Ｃ６２１を通るように（すなわち図２の垂線Ａ５２と図４の垂線Ａ６２１とが一致するように）位置合わせされるが、所定量の位置合わせ誤差が許容されている。このような位置合わせ誤差の許容度については後述する。

一対の電極６２、６３は、いわゆる逆圧電効果により圧電体６１を歪ませるための駆動用として用いられるだけでなく、圧電体６１を分極させる分極用としても兼用される。

分極の際には、例えば、図５に示すように、パターン面電極６２は接地電極（負電極）とし、ベタ面電極６３は正電極として、両電極６２、６３間に所定電圧を印加する。

そうすると、図６に示すように、圧電体６１の面方向における中央部分６１１は、図６中に矢印Ｐ３１、Ｐ３２で示すように主として厚さ方向に対して斜めの方向に分極され、圧電体６１の面方向における周縁部分６１２は、図６中に矢印Ｐ３で示すように主として厚さ方向に分極される。ここで、圧電体６１の中央部分６１１での分極方向は、開口部６２１の中心Ｃ６２１を通る垂線Ａ６２１を中心として線対称となる。例えば、図６中に右斜め矢印Ｐ３１で示される分極方向と左斜め矢印Ｐ３２で示される分極方向とは、互いに線対称である。

図７は、圧電アクチュエータ６０の製造処理の例の流れを示すフローチャートである。

図７において、まず、単板の圧電体６１を形成する（Ｓ１）。

例えば、周知の成形処理及び焼成処理によって、バルク圧電体を形成する。ゾルゲル、スパッタ、ＡＤ（Aerosol Deposition）法などによって、薄膜又は厚膜の圧電体を形成するようにしてもよい。

次に、中央部分がくり抜かれるようにパターンニングされた、開口部６２１を有するパターン面電極６２を、圧電体６１の一方の面に形成する（Ｓ２）。また、圧電体６１の他方の面を隙間なく覆うように、ベタ面電極６３を、圧電体６１の他方の面に形成する（Ｓ３）。

例えば、圧電体６１に金属ペーストを塗り、高温を掛けて、圧電体６１の表面に電極６２、６３を固着させる。蒸着、スパッタ等でも形成できる。このようにして圧電体６１と一対の電極６２、６３とが一体化される。

なお、パターン面電極６２及びベタ面電極６３の形成順序は、特に限定されず、ベタ面電極６３の形成（Ｓ３）を先に行った後にパターン面電極６２の形成（Ｓ２）を行うようにしてもよい。

次に、パターン面電極６２とベタ面電極６３との間に所定の分極用の電圧を印加して、圧電体６１を分極する（Ｓ４）。

例えば、図５に示すように、パターン面電極６２は負電極として接地し、ベタ面電極６３は正電極として用いる。そうすると、図６に示すように、圧電体６１には、主として厚さ方向に分極されている部分６１２（周縁部分）と、主として厚さ方向に対して斜めの方向に分極されている部分６１１（中央部分）とが、形成される。

次に、圧電アクチュエータ６０を、振動板５６に接着する（Ｓ５）。

図８は、分極されて振動板５６に取り付けられた圧電アクチュエータ６０を駆動する様子を示す模式図である。

なお、図６の示されているパターン面電極６２の開口部６２１には、充填材６４として接着材が充填されている。

一対の電極６２、６３間に所定の駆動用の電圧を印加すると、圧電体６１の内部において、周縁部分６１２には厚さ方向に電界がかかる一方で、中央部分６１１には厚さ方向に対して斜めの方向に電界がかかる。すなわち、圧電体６１の内部において、中央部分６１１と周縁部分６１２とにそれぞれ、図６に矢印で示した分極の方向と略同一方向で電界が発生する。

そうすると、図９に示すように、圧電体６１の内部において、周縁部分６１２には主として厚さ方向に直交する方向（面方向）に歪みが発生する一方で、中央部分６１１には主として厚さ方向に対して斜めの方向に歪みが発生する。

これによって、振動板５６において、圧電体６１の周縁部分６１２に対応する部分には、図９中の矢印Ｆ１１、Ｆ１２で示すように厚さ方向に直交する方向（面方向）に応力が働く一方で、圧電体６１の中央部分６１１に対応する部分には、図９中の矢印Ｆ３１、Ｆ３２で示すように厚さ方向に対して斜めの方向に応力が働く。なお、図９中の矢印Ｆ３３はＦ３１とＦ３２との合力を示し、実際には、圧電体６１の中央部分６１１に対応する部分には矢印Ｆ３３で示す合力の方向（厚さ方向）に力が働くことになる。

このときの振動板５６の具体的な形状の変位の様子を図１０に示す。図１０に示されるように、振動板５６において、圧電体６１の中央部分６１１に対応する部分は、圧電体６１の周縁部分６１２に対応する部分と比較して、応力に因る厚さ方向の変位量が大きくなる。

なお、図１３に示す従来の圧電アクチュエータ９６０と比較して、パターン面電極６２に開口部６２１が形成されている分だけ全体の電界エネルギーは小さくなるが、全体の応力に因る変位量は向上する。

このように、本実施形態の圧電アクチュエータ６０は、図１３に示す従来の圧電アクチュエータ９６０と比較して、構造があまり複雑になることなく、応力によって発生する厚さ方向の変位量が大きくなる。

さらに、本実施形態の圧電アクチュエータ６０は、図１３に示す従来の圧電アクチュエータ９６０と比較して、圧電アクチュエータ６０と圧力室５２との位置合わせ誤差の許容度が大きくなるという作用も得られる。このような作用について以下詳細に説明する。

図１１（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の圧電アクチュエータ６０及び圧力室５２の位置関係と応力に因る厚さ方向の変位量との関係を示す模式図である。なお、図１１（ａ）、（ｂ）では、簡略化のため圧電アクチュエータ６０は図示を省略し、圧力室５２の中心を通る垂線Ａ５２と圧電アクチュエータ６０の開口部６２１の中心を通る垂線Ａ６２１とによって位置関係を示している。

具体的には、図１１（ａ）は、圧力室５２の中心Ｃ５２を通る垂線Ａ５２と圧電アクチュエータ６０の開口部６２１の中心Ｃ６２１を通る垂線Ａ６２１が一致している最も好ましい位置合わせ状態での振動板５６の具体的な形状の変位の様子を示しており、図１１（ｂ）は、垂線Ａ５２、Ａ６２１同士にずれが生じている位置合わせ状態での振動板５６の具体的な形状の変位の様子を示している。

図１１（ａ）に示す垂線Ａ５２、Ａ６２１同士が一致している位置合わせ状態での厚さ方向の変位量ｈ０と、図１１（ｂ）に示す垂線Ａ５２、Ａ６２１同士にずれが生じている位置合わせ状態での厚さ方向の変位量ｈ１とを比較すると、垂線Ａ５２、Ａ６２１同士に位置ずれが存在しても、変位量の差（h0-h1）としてはあまり現われない。すなわち、本実施形態の圧電アクチュエータ６０では、位置合わせ誤差に起因する圧電アクチュエータ６０の個体間の性能差が小さくなり、歩留まりが向上するという効果が得られる。

なお、変位量の差が規定値以内となるずれ量Ａgapの範囲（位置合わせ誤差の許容量）は、開口部６２１の形状や寸法等に因って異なる。

本実施形態の圧電アクチュエータ６０が奏する効果を整理すると以下のような項目が挙げられる。
（効果１）構造が簡易であるにもかかわらず、高変位が得られる。
（効果２）取り付け時の位置合わせ誤差の許容度が大きくなるので、歩留まりが向上する。
（効果３）積層構造を前提とせず、単板で圧電体を形成し得るので、低コストでの製造が可能になる。
（効果４）分極用と駆動用で電極を兼用できるので、分極専用電極を除去する工程が不要となり、低コストでの製造が可能になる。
（効果５）基本的には圧電体を厚さ方向に分極する原理を用いているので、面方向に分極する圧電アクチュエータと比較して、低電界での駆動が可能になる。
（効果６）少なくとも一対の電極で構成でき、しかも、ひとつの圧電体に対して面方向に複数の電極を並べる必要がないので、実装面積を抑えることができる。例えば、ノズル配列の高密度化が必要な液滴吐出装置に適している。

なお、パターン面電極６２の開口部６２１は、図３に示される形状に特に限定されるものではなく、各種の形状がある。

図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、パターン面電極６２の各種の開口形状を示す。

図１２（ａ）に示す開口部６２１ａは、図３（ｂ）に示す開口部６２１と同様に四角形状であるが、図３（ｂ）の電極６２と比較して開口部６２１の中心点を回転中心として４５度回転したような形状となっている。

図１２（ｂ）に示す開口部６２１ｂは、円形状である。

図１２（ｃ）に示す開口部６２１ｃは、スリット形状である。すなわち、図３（ｂ）、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）に示す開口部６２１、６２１ａ、６２１ｂは、周囲が閉じたクローズ形状（中抜き形状）となっているが、図１２（ｃ）のスリット形状のように、周囲が開いたオープン形状であってもよい。オープン形状には、スリット形状以外にも、例えば切り欠き形状がある。

また、開口部６２１を有するパターン面電極６２を振動板５６に取り付ける場合を例に説明してきたが、本発明の液滴吐出装置は、圧電アクチュエータ６０を上下反転して、ベタ面電極６３を振動板５６に取り付けた場合でも、同様な作用が得られる。なお、パターン面電極６２及びベタ面電極６３のいずれを振動板５６に取り付けるかによって、圧電体６１の中央部分６１１の分極方向、及び、電界方向が異なってくる点に留意する。

ところで、圧電体６１の中央部分６１１と周縁部分６１２とで圧電材料の誘電率が同一である場合には、圧電体６１の中央部分６１１と周縁部分６１２とで分極時に実際の電界強度が異なるために、分極が均一に発生しないことがある。このような場合、分極を均一に発生させるには、開口部６２１を介して露出する中央部分６１１は周縁部分６１２と比較して誘電率を大きくする。具体的には、図７に示す圧電体形成工程Ｓ１において、中央部分６１１は周縁部分６１２と比較して誘電率が大きな材料を用いてＡＤ（Aerosol Deposition）法などにより形成する。

また、圧電アクチュエータ６０を液滴吐出装置５０に用いた場合を例に説明したが、本発明の圧電アクチュエータ６０は、特に液滴吐出装置５０に用いる場合に限定されるものではなく、その他装置に用いてもよいことは言うまでもない。例えば、音を出力する音響装置、連続振動を出力するバイブレータ、圧電センサなどに用いてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の設計変更や改良を行ってよいのはもちろんである。

本発明に係る液滴吐出装置としてのインクジェットヘッドの一例を示す平面透視図である。 本発明に係る液滴吐出装置としてのインクジェットヘッドの一例の要部を示す断面図である。 本発明に係る圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。 本発明に係る圧電アクチュエータの一例を示す分解斜視図である。 分極時の電極への電圧印加の説明に用いる説明図である。 分極方向の説明に用いる説明図である。 圧電アクチュエータの製造処理の流れの一例を示すフローチャートである。 駆動電界方向の説明に用いる説明図である。 変位方向の説明に用いる説明図である。 圧電アクチュエータの応力に因る振動板の具体的な変形の様子を示す模式図である。 圧電アクチュエータ及び圧力室の位置関係と変位量との関係の説明に用いる説明図である。 他の開口部の例を示す平面図である。 従来の圧電アクチュエータを示す断面図である。 従来の圧電アクチュエータの変位方向の説明に用いる説明図である。 従来の圧電アクチュエータの応力に因る振動板の具体的な変形を示す模式図である。 従来の圧電アクチュエータ及び圧力室の位置関係と変位量との関係の説明に用いる説明図である。

符号の説明

５０…インクジェットヘッド（液滴吐出装置）、５１…ノズル、５２…圧力室、５６…振動板、６０…圧電アクチュエータ、６１…圧電体、６２…パターン面電極、６３…ベタ面電極、６２１、６２１ａ、６２１ｂ、６２１ｃ…開口部

Claims (9)

1. 板状の圧電体と、
   前記圧電体の厚さ方向の両側に配置されて前記圧電体を歪ませる駆動用として用いられる一対の電極であって、前記圧電体に関して互いに面対称な部分と非面対称な部分とを有し、前記圧電体を分極させる分極用として兼用されて前記圧電体に厚さ方向に分極されている部分と厚さ方向に対して斜めの方向に分極されている部分とを形成する一対の電極と、
   を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記圧電体は、単板で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記圧電体は、面方向の中央部分が厚さ方向に対して斜めの方向に分極されている一方で周辺部分が厚さ方向に分極されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記一対の電極のうちいずれか一方に開口部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記開口部の形状は、多角形、円形、又は、スリット状であることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータによって容積が変化する圧力室と、
   前記圧力室に連通し前記圧力室の容積の変化に応じて液滴を吐出するノズルと、
   を備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
7. 請求項４又は５に記載の圧電アクチュエータを備え、
   前記圧力室の中心を通る垂線が前記電極の開口部を通るように前記圧電アクチュエータを配置したことを特徴とする請求項６に記載の液滴吐出装置。
8. 板状の圧電体を形成する工程と、
   前記圧電体を歪ませる駆動用として用いられる一対の電極であって前記圧電体に関して互いに面対称な部分と非面対称な部分とを有する一対の電極を前記圧電体の厚さ方向の両側に形成する工程と、
   前記一対の電極を前記圧電体の分極用の電極として兼用し、前記圧電体に厚さ方向に分極されている部分と厚さ方向に対して斜めの方向に分極されている部分とを形成する工程と、
   を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
9. 所定のノズルが連通する圧力室が形成されているプレートに対して、請求項８に記載の圧電アクチュエータの製造方法によって製造された圧電アクチュエータを所定の振動板を介して取り付ける工程を含むことを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。

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