JP2009132075A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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Abstract

【課題】焼成時の圧電層の反り及び焼成後の圧電層の残留応力が小さく、かつ発熱量が小さい圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】圧電アクチュエータ12は、第1圧電層及び第2圧電層が積層され、第2圧電層の第1圧電層と反対側の面に、複数の個別電極21がX方向に配列されている。第1圧電層と第2圧電層bとの間には、各個別電極21に対応させて配列された複数の第1定電位電極部31と、複数の第1定電位電極部31の全てと電気的に接続する第1電極配線32とを有する第1共通電極が設けられている。振動板15と第1圧電層との間には、各個別電極21に対応させて配列された複数の第2定電位電極部33と、複数の第2定電位電極部33の全てと電気的に接続する第2電極配線34とを有する第2共通電極23が設けられている。そして第1及び第2電極配線32,34は、X方向に伸延しかつ平面視で互いに重ならないように配置されている。
【選択図】図6

Description

本発明は、電圧を印加すると、活性部が変形する圧電アクチュエータに関する。
圧電アクチュエータとして、積層された複数の圧電層と、これら複数の圧電層の間に配置された共通電極と、最上層の圧電層の上面に配列された複数の個別電極とを有するものが知られている。
このような形態の圧電アクチュエータにおいては、共通電極は、圧電層の表面全体に電極材を塗布することで形成される。また、最上層の圧電層には、個別電極毎に対応させて個別電極用端子が設けられている。そして、これら個別電極用端子は、対応する個別電極と導通するように設けられている共に、複数の個別電極に選択的に駆動電圧を印加するための駆動回路にFPCなどに形成された配線を介して電気的に接続されている。
そして、このような圧電アクチュエータは、各個別電極と共通電極との間の領域が活性部を成し、この活性部に電界を作用させると、活性部が独立して変形する。すなわち圧電アクチュエータは、駆動回路から個別電極用端子を介して個別電極に駆動電圧を印加すると、個別電極と共通電極との間に電界が発生し、これらの間に配置された活性部が変形するように構成されているのである。(例えば特許文献1参照)。このような構成を有する圧電アクチュエータにおいて、小型化のために個別電極の高密度化が要求されている。しかし、個別電極を高密度化して配列すると、活性部の変形時にその振動が隣接する活性部に影響する、クロストークの問題が顕著になる。
特開2005−27403号公報
このような問題点を解決すべく圧電アクチュエータとして、本件出願の発明者等は、以下のような構成のものを想到した。これは、振動板と、この振動板に積層された2つの圧電層と、上層の圧電層に配列された複数の個別電極と、上層及び下層の圧電層の間に設けられた第1共通電極と、振動板と下層の圧電層との間において前記下層の圧電層の下側の表面全体を覆うように設けられた第2共通電極とを有するような圧電アクチュエータである。
この圧電アクチュエータにおいて、各個別電極には、個別電極用端子が設けられており、各個別電極は、各個別電極用端子によって駆動回路に電気的に接続されている。第1共通電極は、各個別電極に対応させるようにして所定の方向に配列された複数の定電位電極と、前記所定の方向に伸延して前記複数の定電位電極の全てを電気的に接続する電極配線とを有する。複数の定電位電極は、積層方向に見て対応する個別電極の中央部に重なるように配置されている。
そして、この圧電アクチュエータでは、上層の圧電層における各個別電極とそれに対応する定電位電極との間の部分が第1の活性部を成し、上層及び下層の圧電層における各個別電極とそれに対応する第2共通電極との間であって、第1の活性部の外側の部分が第2の活性部を成している。
またこの圧電アクチュエータでは、第共通電極にグランド電位が付与され、第定電位電極にグランド電位より高い定電位が付与される。そして個別電極には、駆動回路によってグランド電位と前記定電位とが選択的に付与される。
個別電極の電位をグランド電位から前記定電位へと切替えることで、第1の活性部が変形せずに第2の活性部が変形し、個別電極の電位を前記定電位からグランド電位へと切替えることで、第2の活性部の元の状態に戻り第1の活性部が変形する。後者の場合、第1の活性部の外側に配置された第2の活性部が元の状態に戻るので、第1の活性部の変形による影響が第2の活性部によりキャンセルされ、隣接する第1及び第2の活性部への影響を与えることなく、各々の活性部が独立して変形することができる。
前述した2つの圧電アクチュエータにおいて、共通電極及び第1共通電極は、圧電層の表面全体に電極材を塗布することで形成されている。電極材から成る共通電極及び第1共通電極とPZT等の圧電材料から成る圧電層とは異なる線膨張係数を有するため、焼成時に圧電層が反り返って曲がったり、曲がらなくとも焼成後における圧電層の残留応力が大きくなったりする。
また共通電極及び第1共通電極を圧電層の表面全体に形成することで、前者の圧電アクチュエータにおいて共通電極と個別電極用端子との間、後者の圧電アクチュエータにおいて第1共通電極と第2共通電極との間に、活性部の変形に寄与しない浮遊容量が発生する。この浮遊容量は、発熱源となり、その容量が大きければ大きいほど、圧電アクチュエータの発熱量を増加させる。
本発明の目的は、焼成時の圧電層の反り及び焼成後の圧電層の残留応力が小さく、かつ発熱量が小さい圧電アクチュエータを提供することである。
本発明の圧電アクチュエータは、振動板の一面側に形成された第1の圧電層と、その第1の圧電層の前記振動板とは反対側の面側に形成された第2の圧電層とを有して構成される圧電アクチュエータであって、前記第2の圧電層の前記第1の圧電層と反対側の面に設けられ、所定の方向に配列された複数の個別電極と、前記第1の圧電層と前記第2の圧電層との間に設けられるものであって、前記複数の個別電極の各々に対応するように前記所定の方向に配列された複数の第1定電位電極部と、これら複数の第1定電位電極部の全てと電気的に接続する第1電極配線とを有する第1共通電極と、前記振動板と前記第1の圧電層との間に設けられ、前記複数の個別電極の各々に対応するように前記所定の方向に配列された複数の第2定電位電極部と、これら複数の第2定電位電極部の全てと電気的に接続する第2電極配線とを有する第2共通電極とを備え、第1及び第2電極配線は、前記所定の方向に伸延し、かつ平面視互いに重ならないように配置されているものである。ここで「平面視」とは、第1の圧電層に対して第2圧電層が設けられている方向と反対の方向に見ることをいう。
本発明に従えば、振動板と第1の圧電層との間において、第2共通電極が設けられている領域が少なくなる。これによって焼成時における、振動板と第2共通電極との線膨張係数の差及び第1の圧電層と第2共通電極との線膨張係数の差に起因する前記振動板及び第1の圧電層の反りを抑制できると共に、焼成後の圧電アクチュエータの残留応力を低減することができる。また第2共通電極が設けられている領域を少なくすることにより、電極材の塗布量を低減することができる。
また本発明では、第1電極配線と第2電極配線とが平面視で互いに重なり合っていないので、第1電極配線と第2電極配線の間に発生する浮遊容量を低減することができる。これによって前記浮遊容量の発生に伴う発熱を抑制し、前記圧電アクチュエータの発熱量を抑えることができる。
上記発明において、前記複数の第1定電位電極部の各々の外形の寸法は、平面視において、対応する個別電極及びこの個別電極に対応する第2定電位電極部の外形の寸法より小さく形成され、かつ各第1定電位電極部の全体がそれに対応する個別電極及び第2定電位電極部に重なるように配置されていることが好ましい。
本発明に従えば、各個別電極とそれに対応する第1定電位電極部との間の部分が第1の活性部をそれぞれ成し、前記各個別電極とそれに対応する第2定電位電極部との間であって、第1の活性部より外側の部分が第2の活性部を成す。各第1定電位電極部及び第2定電位電極部に互いに異なる第1定電位及び第2定電位を付与する。各個別電極に前記第1及び第2定電位を選択的に印加することにより、印加された個別電極に対応する第1の活性部及び第2の活性部は、各個別電極に印加される電圧によって互いに逆方向の変形が生じる。これによって第1及び第2の活性部は、各々の変形を打ち消しあう。これによって第1及び第2の活性部の変形が隣接する第1及び第2の活性部の変形に影響を与えるいわゆるクロストークが抑制される。
上記発明において、前記第1電極配線は、所定の方向に並べられた前記複数の個別電極の領域とこれらの領域を繋げる領域とを含む個別電極配置領域と平面視で重ならないように配置されており、前記第2電極配線は、前記個別電極配置領域と平面視で重なるように配置されていることが好ましい。
本発明に従えば、第1電極配線と第2電極配線とが互いに重ならないように配置することができる。これによって第1電極配線と第2電極配線との間において発生する浮遊容量を低減することができる。その結果、前記浮遊容量の発生に伴う発熱を抑制し、前記圧電アクチュエータの発熱量を抑えることを実現できる。
上記発明においては、前記複数の個別電極に選択的に電圧を印加する電圧印加手段に電気的に接続されるものであって、前記複数の個別電極の各々に電気的に接続される複数の個別電極用端子を更に有し、前記複数の個別電極用端子は、前記第2の圧電層の前記第1の圧電層と反対側の面において、前記個別電極配置領域の所定の方向と直交する方向における一方の脇に設けられ、前記第1電極配線は、平面視において、前記個別電極配置領域の前記直交する方向における他方の脇に設けられていることが好ましい。
本発明に従えば、各個別電極用端子を介して各々の個別電極に電圧印加手段により選択的に電圧を印加できる。また各個別電極用端子と第1及び第2電極配線とが平面視で互いに重ならないように配置される。これによって各個別電極用端子と第1及び第2電極配線との間において発生する浮遊容量を低減することができる。その結果、前記浮遊容量の発生に伴う発熱を抑制し、前記圧電アクチュエータの発熱量を抑えることを実現できる。
上記発明においては、平面視における所定の方向に直交する方向において、前記各第2電極配線が形成されている領域よりも第2定電位電極部が形成されている領域の方が広く形成されていることが好ましい。
本発明に従えば、第2配線電極が設けられている領域を少なくすることができる。これによって焼成時における振動板及び第1の圧電層の反りをさらに抑制できると共に、焼成後の圧電アクチュエータの残留応力をさらに低減することができる。
上記発明においては、前記個別電極に第1定電位とこれと異なる第2定電位とを選択的に付与するとともに、前記第1電極配線を介して前記各第1定電位電極部に前記第1定電位を付与し、前記第2電極配線を介して第2定電位電極部に前記第2定電位を付与する電圧印加手段を更に備え、前記第2の圧電層において、前記各個別電極とこれに対応する第1定電位電極との間の部分が第1の活性部を成し、前記第1及び第2の圧電層において、各個別電極とこれに対応する第2定電位電極との間であって、前記各個別電極に対応する第1定電位電極の外側の部分が第2の活性部を成しており、前記第1の活性部は、前記各個別電極に第2定電位を付与すると、平面視で前記個別電極に対し直交する第1の方向に伸張するとともに、その第1の方向と直交する第2の方向に収縮するように構成され、前記第2の活性部は、前記各個別電極に第1定電位を付与すると、第1の方向に伸張するとともに、第2の方向に収縮するように構成されていることが好ましい。
本発明に従えば、各個別電極に第1定電位を付与すると、第1の活性部が変形し、第2の活性部が変形しない。また各個別電極に第2定電位を付与すると、第1の活性部が変形せず、第2の活性部が変形する。このように各個別電極に第1及び第2定電位のどちらの電位を付与しても、第1及び第2の活性部の何れかが変形しないので、第1及び第2の活性部のうちの一方の活性部の変形を他方の活性部が打ち消すことができる。従って複数の個別電極の配置を高密度化して、隣り合う個別電極同士が接近するようになっても、第1の活性部の変形が第1の活性部の外側に配置された第2の活性部分によって打ち消され、隣り合う第1の活性部の変形に影響を与えるいわゆるクロストークが抑制される。
本発明によれば、焼成時の圧電層の反り及び焼成後の圧電層の残留応力が小さく、かつ発熱量が小さくすることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。
(第1実施形態)
図1(a)は本発明にかかるインクジェットプリンタ(液滴吐出装置)の概略構成を示す概略構成図、図1(b)は本発明にかかるキャビティユニット、圧電アクチュエータ及びフレキシブル配線板(COP)の関係を示す説明図である。
本発明に係るインクジェットプリンタ1は、図1(a)に示すように、インクカートリッジ(図示せず)が搭載されるキャリッジ2の下面に、記録用紙P(記録媒体)に記録するためのインクジェットヘッド3(液滴吐出ヘッド)が設けられている。キャリッジ2は、プリンタフレーム4内に設けられるキャリッジ軸5とガイド板(図示せず)とによって支持され、記録用紙Pの搬送方向Aと直交する方向Bにおいて往復移動する構成とされている。図示しない給紙部からA方向に搬送される記録用紙Pは、プラテンローラ(図示せず)とインクジェットヘッド3との間に導入されて、インクジェットヘッド3から記録用紙Pに向けて吐出されるインクにより所定の記録がなされ、その後排紙ローラ6にて排紙される。
また、図1(b)に示すように、インクジェットヘッド3は、流路ユニット11と、圧電アクチュエータ12とを下側から順に備え、圧電アクチュエータ12の上面に駆動信号を供給するフレキシブル配線板13(信号線)が設けられている。
図2は、流路ユニット11の上側に圧電アクチュエータ12を貼り付けた状態を示す斜視図である。図3は、流路ユニット11に含まれる積層体14を、構成要素である各プレート14A〜14Fに分解し、それらをトッププレート共に示す図である。流路ユニット11は、矩形状に形成され、図2に示すように、複数枚のプレート部材からなる積層体14を含む。その積層体14の上側には、圧電アクチュエータ12に備わる振動板15が設けられる一方、下側には、ノズル穴16aを有するノズルプレート16及びノズル穴16aに対応して貫通穴17aを有するスペーサプレート17を貼り合わせてなるプレートアッセンブリ18が一体に貼り付けられている。そして,振動板15の上側に、各圧力室14Aa内のインク(液体)を選択的に吐出させるための圧電アクチュエータ12が接合されている。また、流路ユニット11の開孔11aには、インク内に含有される塵埃などを捕獲するためのフィルタ19が設けられる。ノズルプレート16は、(積層体14を構成する)キャビティプレート14Aの1つの圧力室14Aaについて、1つのノズル穴16aがそれぞれ設けられた合成樹脂(例えばポリイミド樹脂)のプレートである。なお、ノズルプレート16は金属プレートとしてもよい。
積層体14は、図3に示すように、上側から順にキャビティプレート14A、ベースプレート14B、サプライプレート14C、2枚のマニホールドプレート14D,14E、及びダンパープレート14Fがそれぞれ重ねられて金属拡散接合されたものである。これら6枚のプレート14A〜14Fは、ノズル穴16a毎に個別にインク流路が形成されるように、互いに位置合わせして積層されている。キャビティプレート14Aは、複数の圧力室14Aaとして機能する開口がノズル列に対応して規則的に形成された金属プレートである。具体的に説明すると、前記複数の圧力室14Aaは、ノズル列に対応させて流路ユニット11の長辺方向(インクジェットヘッド3の長辺方向と一致しており、以下では単に「X方向」という)に配列された圧力室列を形成し、さらにこの圧力室列が流路ユニット11の短辺方向(インクジェットヘッド3の短辺方向と一致しており、以下では単に「Y方向」という)にインクジェットヘッド3から吐出可能なインクの色毎に2列、本実施の形態ではブラック、シアン、マゼンダ及びイエローに対応して8列並べられている。なおこれらの圧力室列は、そこに含まれる圧力室14Aaが隣り合う列に含まれる圧力室14Aaに対してX方向に互いにずらして配置されており、複数の圧力室14Aaが千鳥状に配置されている。
ベースプレート14Bは、マニホールド14Da,14Ea(共通インク室)から各圧力室14Aaへの連通穴14Ba及び各圧力室14Aaから各ノズル穴16aへの連通穴14Bbがそれぞれ設けられた金属プレートである。サプライプレート14Cには、それの上面に、各圧力室14Aaとマニホールド14Da,14Eaとを連通する連通路が凹部通路として形成されるとともに、マニホールド14Da,14Ea(共通インク室)から各圧力室14Aaへの連通穴14Ca及び各圧力室14Aaからノズル穴16aへの連通穴14Cbがそれぞれ設けられた金属プレートである。
マニホールドプレート14D,14Eは、マニホールド14Da,14Eaに加えて、各圧力室14Aaから各ノズル穴16aへの連通穴14Db,14Ebがそれぞれ設けられた金属プレートである。ダンパープレート14Fは、下面に凹部として形成されるダンパー室14Faのほか、各圧力室14Aaを各ノズル穴16aに連通する連通穴14Fbが設けられた金属プレートである。
このように、流路ユニット11は、複数のノズル穴16a、複数のノズル穴16aの各々に連通する複数の圧力室14Aa及びこの圧力室14Aaに供給するインクを一時的に貯留するマニホールド14Da,14Eaを備える構成とされる。
図4は、図2に示すインクジェットヘッド3を図2のIV−IV線(後述する図5Aにおいても示す)で切断して、一部を拡大して見た断面図である。圧電アクチュエータ12は、矩形状に形成され、その長辺方向がX方向と略一致しており、また短辺方向がY方向に略一致している。圧電アクチュエータ12は、図4に示すように、第1圧電層12aと第2圧電層12bとを有する。第1圧電層12aは、振動板15の一面に形成され、この第1圧電層12aの振動板15と反対側の面に第2圧電層12bが形成されている。このように振動板15、第1圧電層12a及び第2圧電層12bを配置することで、振動板15の上に第1圧電層12a及び第2圧電層12bが積層され、振動板15上に積層型の圧電アクチュエータ12が構成されることとなる。第1及び第2圧電層12a,12bは、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系のセラミックス材料(圧電シート)からなり、その厚み方向において分極している。なお振動板15は、金属プレートで構成されているが、第1及び第2圧電層12b,12cと同様に強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系のセラミックス材料(圧電シート)により構成してもよい。
図5Aは、第1実施形態の圧電アクチュエータ12から第1圧電層12a及び第2圧電層12bを取り除いた状態で示す平面図である。図5Bは、(a)複数の個別電極21の形態を示す平面図、(b)第1共通電極22の形態を示す平面図、(c)第2共通電極23の形態を示す平面図である。また図6は、図5Aの一部を拡大して示す拡大平面図である。なお図5A、図5B及び図6は、圧電アクチュエータ12から第1圧電層12a及び第2圧電層12bを取り除いた状態のものを第1圧電層12aに対して第2圧電層12bが積層されている積層方向と反対の方向に見た、つまり平面視したときの平面図である。圧電アクチュエータ12は、さらに複数の個別電極21と、第1共通電極22と、第2共通電極23を備えている。各個別電極21は、Ag−Pd系等の金属材料からなり、第2圧電層12bの第1圧電層12aと反対側の面、つまり上面において、流路ユニット11の圧力室14Aaの各々に対応させて配置されており、少なくとも圧力室14Aaと同数設けられている。具体的には、複数の個別電極21は、対応する圧力室14Aa上に配置されており、X方向に配列された個別電極列30を構成する。この個別電極列30は、Y方向に複数(本実施の形態では8つ)並べられており、互いに隣り合う個別電極列30は、それらに含まれる個別電極21がX方向に互いにずれた状態で配置されている。その結果、複数の個別電極21が千鳥状に配置される。
これら複数の個別電極21の各々には、個別電極用端子35が電気的に接続されている。これら複数の個別電極用端子35は、図6に示すように個別電極21のY方向一方側の辺(図5A、図5B及び図6において紙面右辺)に形成されており、平面視で円形状に形成されている。フレキシブル配線板13には、これら複数の個別電極用端子35に対応させて図示しない複数の端子が形成されており、圧電アクチュエータ12にフレキシブル配線板13を貼り付けた際、前記複数の個別電極用端子35の各々には、対応する端子が電気的に接続される。
フレキシブル配線板13は、駆動信号を供給するドライバIC90(電圧印加手段)(図1(b)参照)が電気的に接続される。前記ドライバIC90は、このフレキシブル配線板13を介して、駆動信号として後述する第1定電位及び第2定電位の何れか一方の電位を圧電アクチュエータ12の複数の個別電極21に選択的に付与する。
第1共通電極22は、Ag−Pd系等の金属材料からなり、第1圧電層12aと第2圧電層12bとの間に設けられ(図4参照)、X方向に延びる複数の第1配線22aを有する。この複数の第1配線22aは、平面視で、各々の個別電極列30のY方向の両脇に配置されており、互いに隣り合う個別電極列30の間には1本の第1配線22aが配置され、前記隣り合う個別電極列30が共有している。また前記複数の第1配線22aのX方向の両端部は、Y方向に間隔をあけて並設された一対の第2配線22bに電気的にそれぞれ接続されている。これによって第1共通電極22の外枠は、略矩形状に形成されている。またこの一対の第2配線22bは、第2圧電層12bを貫通する図示しないスルーホールに充填された導電部材によりフレキシブル配線板13を介してドライバIC90に電気的に接続されている。
また互いに隣り合う2つの第1配線22aの間には、これらを跨るように複数の第1電極用配線22cが設けられている。これら複数の第1電極用配線22cは、複数の個別電極21の各々に対応して配置されるように、X方向に間隔をあけて設けられている。さらに具体的に説明すると、図6に示すように前記複数の第1電極用配線22cは、平面視において、その中間部が対応する個別電極21に重なるように配置されている。第1共通電極22において、各第1電極用配線22cの個別電極21と重なる部分が第1定電位電極部31を構成しており、残余の部分(ただし第2配線22bも除く)が第1電極配線32を構成している。つまり第1共通電極22は、複数の個別電極21と同様に、X方向に配列され、かつその列がY方向に並設されている複数の第1定電位電極部31と、これら複数の第1定電位電極31の全てと電気的に接続する第1電極配線32とを有する。なお各第1電極用配線22cのX方向の長さは、対応する個別電極21のそれよりも短くなるように形成されている。そのため平面視において、第1定電位電極部31の外形寸法は、前記対応する個別電極21の外形寸法より小さく形成されている。
第2共通電極23は、Ag−Pd系等の金属材料からなり、振動板15と第1圧電層12aとの間に設けられている(図4参照)。第2共通電極23は、図6に示すように、X方向に延びる複数の第2電極用配線23aを有する。この複数の第2電極用配線23aは、平面視において、各個別電極列30が形成されている個別電極配置領域30A、つまり各個別電極列30に含まれる各個別電極21が形成されている領域及びこれらの領域を繋げる領域を含む個別電極配置領域30Aに重なるように配置されている。さらに第2共通電極23は、図5Aに示すように、平面視において、第1共通電極22を四方から外囲するように配置された矩形枠状の配線23bを有しており、この配線23bには、第2電極用配線23aのX方向の両端部が電気的にそれぞれ接続されている。そしてこの配線23bは、平面視において、第1共通電極22と互いに重ならないように形成及び配置されており、第1及び第2圧電層12b,12cを貫通する図示しないスルーホールに充填された導電部材によりフレキシブル配線板13を介してドライバIC90に電気的に接続されている。
このような構成を有する第2共通電極23は、平面視において第2電極用配線23aの各個別電極21と重なる部分が第2定電位電極部33(図6において一点鎖線で挟まれた2つの領域のうち大きい方の領域)を構成し、残余部が第2電極配線34(図6において一点鎖線で挟まれた2つの領域のうち小さい方の領域)を構成している。つまり第2共通電極23は、複数の個別電極21に対応するようにX方向に配列され、かつその列がY方向に並設された複数の第2定電位電極部33と、これら複数の第2定電位電極33の全てと電気的に接続される第2電極配線34とを有する。なお第2電極配線34は、隣接する第2定電位電極33の間に形成された部分がX方向に等間隔に配置されることにより、X方向に延在している。さらに具体的に説明すると、各第2電極用配線23aは、平面視において重なっている個別電極21よりもY方向の長さが長く形成されており、第2定電位電極部33は、平面視において対応する個別電極21よりX方向及びY方向に一回り大きく形成されている、つまり個別電極21より外形寸法が大きく形成されている。
前述のように構成された個別電極21、第1共通電極22及び第2共通電極23は、図6に示すような正規の位置に順に配置されて積層される。正規の位置では、平面視において、個別電極21のY方向一端とそれに隣接する第2共通電極23のY方向一端との間隔と、個別電極21のY方向他端とそれに隣接する第2共通電極23のY方向他端との間隔とが、等しくなっている。なおこの間隔は、αμm(約数十μm)であり、好ましくは30μmである。また前記正規の位置では、第2共通電極23のY方向一端とそれに隣接する第1配線22aとの間隔と、第2共通電極23のY方向他端とそれに隣接する第1配線22aとの間隔とが、等しくなっている。なおこの間隔は、βμm(約数十μm)である。
各電極21,22,23がこのような正規の位置に配置されることが好ましいが、個別電極21を形成する際の位置ズレ又は焼成に伴う位置ズレが発生し、個別電極21、第1共通電極22及び第2共通電極23が前記正規の位置からズレて配置されることがある。そのため前述するように第2定電位電極部33の外形寸法を対応する個別電極21の外形寸法より大きく形成することで、個別電極21の形成時及び焼成時における第1及び第2定共通電極21,33に対する個別電極21の位置ズレを許容することができる。以下に、図7を用いて、個別電極12が第1共通電極22又は第2共通電極23に対して位置ズレした状態を説明する。
図7(a)〜(d)は、個別電極21に対し第1共通電極22又は第2共通電極23が正規の位置からズレて配置された状態を示す平面図である。なお図7(a)〜(d)は、図6と同様に、圧電アクチュエータ12から第1圧電層12a及び第2圧電層12bを取り除いた状態のもの平面視した平面図である。
図7(a)は、第2共通電極23が正規の位置(二点鎖線)からY方向一方(図7(a)の紙面右方向)にズレた状態を示し、図7(b)は、第2共通電極23が正規の位置(二点鎖線)からY方向他方(図7(b)のの紙面左方向)にズレた状態を示している。図7(a)に示すように、第2共通電極23のY方向一方の位置ズレは、平面視で第2共通電極23のY方向他端(図7(a)における左端)が個別電極21のY方向他端(図7(a)における左端)と重なるまで、つまりαμmまで許容される。また図7(b)に示すように、第2共通電極23のY方向他方の位置ズレもまた、同様に平面視で第2共通電極23のY方向一端(図7(b)における右端)が個別電極21のY方向他端(図7(b)における右端)と重なるまで、つまりαμmまで許容される。
また図7(c)は、第1共通電極22が正規の位置(二点鎖線)からY方向他方(図7(c)の紙面左方向)にズレた状態を示し、図7(d)は、第1共通電極22が正規の位置(二点鎖線)からY方向一方(図7(d)の紙面右方向)にズレた状態を示している。図7(c)に示すように、第1共通電極22のY方向他方の位置ズレもまた許容され、その許容量は、平面視で第1配線22aが第2共通電極23のY方向一端(図7(c)における右端)と重なるまで、つまりβμmまでである。また図7(d)に示すように、第2共通電極23のY方向一方の位置ズレもまた許容され、その許容量は、同様に平面視で第1配線22aが第2共通電極23のY方向他端(図7(d)における左端)と重なるまで、つまりβμmまでである。このような個別電極12が第1及び第2定電位電極部31,33に対して位置ズレを許容することができるので、前記位置ズレによって個別電極12が第1及び第2定電位電極部31,33に対して部分的に重ならない部分が生じることによる製品のばらつきの発生を抑制することができる。
平面視において、複数の個別電極21、複数の第1定電位電極部31及び複数の第2定電位電極部33は、対応する個別電極21、第1定電位電極部31及び第2定電位電極部33同士が互いに重なるように配置されているが、第1電極配線32及び第2電極配線34は、互いに重ならないように配置されており、第1電極配線32及び第2電極配線34に電圧が印加されたときに第1電極配線32と第2電極配線34との間で浮遊容量が発生することを抑制することができる。これによって前記浮遊容量の発生に伴う発熱を抑制し、前記圧電アクチュエータ12の発熱量を抑えることができる。
このように配置されている各個別電極21には、フレキシブル配線板13を通じて、ドライバIC90から第1定電位(正の電位であり、例えば20V)及びそれと異なる第2定電位(グランド電位)が選択的に付与される。また第1定電位電極部31には、ドライバIC90により第1定電位が常時付与され、第2定電位電極部33は、第2定電位が常時付与される。
図4に戻って、圧電アクチュエータ12に備わる第1及び第2の活性部S1,S2について説明する。圧電アクチュエータ12では、第2圧電層12bにおいて、各個別電極21とこれに対応する第1定電位電極部31との間の部分が第1の活性部S1を成し、第1及び第2圧電層12b、12cにおいて、各個別電極21とこれに対応する第2定電位電極部33との間であって、平面視で第1の活性部S1の外側の部分が第2の活性部S2を成す。各第1の活性部S1は、流路ユニット11の各圧力室14Aaに対応付けて配置されており、この対応する圧力室14AaのX方向略中央部分に配置されている。また各第2の活性部S2は、前記各第1の活性部S1のX方向両側に配置されている。
各第1の活性部S1は、対応する個別電極21に第2定電位を付与すると共に、対応する第1定電位電極部33に第1定電位を付与したときに第1の活性部S1に作用する電界の方向と同じ方向(分極方向)に分極されている。他方、各第2の活性部S2は、対応する個別電極21に第1定電位を付与すると共に、対応する第2定電位電極部33に第2の電位を付与したときに第2の活性部S2に作用する電界の方向と同じ方向に分極されている。つまり第1及び第2の活性部S1,S2に電界が作用する方向と分極方向が同じである。
このように第1及び第2の活性部S1及びS2を分極させることで、前記ドライバIC90により何れかの個別電極21に第1定電位を付与すると、前記個別電極とそれに対応する第1定電位電極31とが同電位となり、これらの間に電界が発生しない。そのため第1の活性部S1は、X方向(第1の方向)及びZ方向(X方向及びY方向に垂直な方向であり、第2の方向)において伸縮せず、変形しない。これに対し前記個別電極21の電位とこれに対応する第2定電位電極33の電位とは、異なっているため、これらの間に電界が発生する。このように電界が発生すると、圧電縦効果により第2の活性部S2がZ方向に伸張すると共に、X方向に収縮しようとする。しかしながら第1及び第2圧電層12b,12cが振動板15により拘束されているため、第2の活性部S2が、圧力室14Aaから離れる方向に反るように変形する。この変形に伴って圧力室14Aaの容積が大きくなり、マニホールド14Da,14Eaから圧力室14Aaにインクを多く吸い込むことができる。
他方、前記ドライバIC90により何れかの個別電極21に第2定電位を付与すると、第1の活性部S1は、分極方向と同じ方向に電界が作用し、圧電横効果によりZ方向に伸張すると共に、X方向に収縮して、圧力室14Aaに向う方向へ突出変形しようとする。しかしながら振動板15は、電界の影響を受けないため自発的には縮まないので、第2圧電層12bと振動板15との間で分極方向と垂直な方向への歪みに差を生じる。この歪みの差と、振動板15がキャビティプレート14Aに固定されていることとが相俟って、第2圧電層12b及び振動板15は、圧力室14Aaに向って凸となるように変形する(ユニモルフ変形)。このため、圧力室14Aaの容積が小さくなって、前記圧力室14Aaの圧力が上昇し、ノズル穴16aからインクが吐出される。
このとき前記個別電極21と第2定電位電極33とは同電位であるため、第2の活性部S2は、X方向及びZ方向において変形せず、元の状態へと復帰する。そのため第1の活性部S1の変形による影響が、この第1の活性部S1のX方向側方に形成された第2の活性部S2によってキャンセルされ、隣の圧力室14Aaにはほとんど及ばず、クロストークが抑制される。
その後、前記個別電極21を、再び第1定電位と同じ電位(グランド電位)に戻すと、前述したように、第1の活性部S1が変形せず、第2の活性部S2が圧力室14Aaから離れる方向に反るように変形して、圧力室14Aaの容積が元の容積に戻るので、マニホールド14Da,14Eaから圧力室14Aaへとインクを吸い込むことになる。
このようにして構成される圧電アクチュエータ12は、第1圧電層12a及び第2圧電層12bに各個別電極21、第1共通電極22及び第2共通電極23を形成した後、焼成することで製造される。振動板15と第1圧電層12aとの間に設けられる第2共通電極23の第2電極用配線23aをストライプ状に形成することで、第2共通電極23が設けられる領域が少なくなるので、前記焼成時における振動板15及び第1圧電層12aと第2共通電極23との線膨張係数の差に起因する前記振動板15及び第1圧電層12aの反りを抑制できると共に、焼成後の圧電アクチュエータ12の残留応力を低減することができる。また第2共通電極23が設けられている領域を少なくすることにより、電極材の塗布量を低減することができる。
(第2実施形態)
図8は、第2実施形態の圧電アクチュエータ112の一部を拡大して見た拡大平面図である。図8では、隣の個別電極列30を省略して圧電アクチュエータ112を示している。第2実施形態の圧電アクチュエータ112は、第1実施形態の圧電アクチュエータ12と個別電極用端子135の形状が異なるだけで、その他の構成は同一である。そこで異なる構成についてだけ説明し、その他の構成は、同一の符号を付してその説明を省略する。個別電極用端子135は、個別電極21毎に設けられている。各個別電極用端子135は、図8に示すように各個別電極21のY方向一方側の辺(図8において紙面右辺)に形成されており、Y方向一方(図8の右方)に延在する延在部分135aと端子部分135bとを有する。延在部分135aは、そのY方向一端が個別電極21のY方向一方側の辺に電気的に接続され、その中間部が平面視で前記個別電極21のY方向一方側に配置された第1配線22aを跨ぎ、他端が前記第1配線22aの外側に配置されている。そしてこの延在部135aの他端に平面視で円形状に形成された端子部分135bが形成されている。各端子部分135bに対応するように、フレキシブル配線板13の複数の端子が形成されており、圧電アクチュエータ112にフレキシブル配線板13を貼り付けた際、前記複数の個別電極用端子135の各々には、対応する端子が電気的に接続される。
このように構成された圧電アクチュエータ112は、個別電極用端子135において、平面視で第1電極配線32と重なるのが延在部分135aとなり、個別電極用端子135と第1配線32とが重なる領域を減少させることができる。これにより個別電極用端子135と第1電極配線32との間で発生する浮遊容量を抑制することができる。これによって前記浮遊容量の発生に伴う発熱を抑制し、前記圧電アクチュエータ112の発熱量を抑えることができる。
(第3実施形態)
図9は、第3実施形態の圧電アクチュエータ212の一部を拡大して見た拡大平面図である。図9でもまた、隣の個別電極列30を省略して圧電アクチュエータ212を示している。第3実施形態の圧電アクチュエータ212は、第2実施形態の圧電アクチュエータ112と第1共通電極222の形状が異なるだけで、その他の構成は同一である。そこで異なる構成についてだけ説明し、その他の構成は、同一の符号を付してその説明を省略する。第1実施形態の第1共通電極22では、第1定電位電極31が個別電極列30の両脇に配置された2本の第1配線22aに電気的に接続されているのに対し、第3実施形態の第1共通電極222では、第1定電位電極部31が個別電極列30の両脇の何れか一方に配置された第1配線22a(本実施の形態では、個別電極列30のY方向他方側の第1配線22aであり、図9において紙面左側の第1配線22a)だけに接続されるように構成されている。つまり第1共通電極222では、個別電極列30の両脇のうち一方の脇にだけ第1配線22aが配置されている。
このように第1共通電極22を形成することで、平面視において、個別電極列30のY方向一方側の第1配線22aを個別電極列30からY方向に離して形成することができ、これによって個別電極列30の両脇のうち他方の脇に配置された個別電極用端子135を第1配線22aに重ならないように配置することができる。このように配置することで個別電極用端子135と第1電極配線32との間で発生する浮遊容量を抑制することができる。これによって前記浮遊容量の発生に伴う発熱を抑制し、前記圧電アクチュエータ212の発熱量を抑えることができる。
(第4実施形態)
図10は、第4実施形態の圧電アクチュエータ312の一部を拡大して見た拡大平面図である。図10でもまた、隣の個別電極列30を省略して圧電アクチュエータ212を示している。第4実施形態の圧電アクチュエータ312は、第2実施形態の圧電アクチュエータ112と第2共通電極323の形状が異なる、具体的には第2電極配線334の形状が異なるだけで、その他の構成は同一である。異なる構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。第2電極配線334は、そのY方向中間部において導電部材が塗布されていない非導通部分334aを有している。そのため非導通部分334aのY方向両側に形成された2つの導通部分334bのY方向の長さ(Y方向の領域)の総和は、第2定電位電極部33のY方向の長さ(Y方向の領域)よりも小さくなっている。このように形成することで、さらに第2共通電極423が設けられる領域を小さくすることができ、焼成時における振動板15及び第1圧電層12aの反りをさらに抑制できると共に、焼成後の圧電アクチュエータ12の残留応力をさらに低減することができる。
(第5実施形態)
図11は、第5実施形態の圧電アクチュエータ412の一部を拡大して見た拡大平面図である。図11でもまた、隣の個別電極列30を省略して圧電アクチュエータ412を示している。第5実施形態の圧電アクチュエータ412は、第4の実施形態同様に第2実施形態の圧電アクチュエータ112と第2共通電極423の形状が異なる、具体的には第2電極配線434の形状が異なるだけで、その他の構成は同一である。異なる構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。第2電極配線434は、そのY方向の長さ(Y方向の領域)が第2定電位電極部33のY方向の長さ(Y方向の領域)よりも短く、互いにX方向に隣り合う第2定電位電極部33のY方向中間部に電気的に接続されている。このように形成することで、さらに第2共通電極423が設けられる領域を小さくすることができ、焼成時における振動板15及び第1圧電層12aの反りをさらに抑制できると共に、焼成後の圧電アクチュエータ12の残留応力をさらに低減することができる。
(第6実施形態)
図12は、第6実施形態の圧電アクチュエータ512の一部を拡大して見た拡大平面図である。図12でもまた、隣の個別電極列30を省略して圧電アクチュエータ512を示している。第6実施形態の圧電アクチュエータ512は、第3実施形態の圧電アクチュエータ212と第2共通電極523の形状が異なる、具体的には第2電極配線534の形状が異なるだけで、その他の構成は同一である。異なる構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。第2電極配線534は、X方向に延在している。前記各第2電極配線534は、各個別電極列30の両脇のうち他方の脇に対応させて配置されており、平面視において対応する個別電極列30が形成された個別電極列配置領域30A内にある複数の第2定電位電極33全てに電気的に接続されている。このように配置することによっても、第1電極配線32と第2電極配線534とが平面視で重ならないように配置することができ、第1電極配線32と第2電極配線534との間で発生する浮遊容量を抑制することとができる。これによって前記浮遊容量の発生に伴う発熱を抑制し、前記圧電アクチュエータ212の発熱量を抑えることができる。
本実施の形態では、振動板15のキャビティプレート14Aが設けられている面と反対側面に第1圧電層12aが設けられているけれども、振動板15と第1圧電層12aとの間に振動板15に含まれる金属材料が第1圧電層12aに拡散することを防ぐための拡散防止層を設けてもよい。
第1乃至第6実施形態では、本発明の圧電アクチュエータ12をインクジェットヘッド3に適用した場合について説明しているけれども、液体を吐出するマイクロポンプ等に適用してもよく、駆動電圧を与えて微小変形させる圧電アクチュエータを必要とする装置に適用することで、同様の作用効果を得ることができる。
本発明に係る圧電アクチュエータは、焼成時の圧電層の反り及び焼成後の圧電層の残留応力が小さく、かつ発熱量が小さくすることができる優れた効果を有し、駆動信号を与えて微小変形を生じさせるものに適用すると有益である。
(a)は本発明にかかるインクジェットプリンタ(液滴吐出装置)の概略構成を示す概略構成図、(b)は本発明にかかるキャビティユニット、圧電アクチュエータ及びフレキシブル配線板(COP)の関係を示す説明図である。 流路ユニットの上側に圧電アクチュエータを貼り付けた状態を示す斜視図である。 流路ユニットに含まれる積層体を、構成要素である各プレートに分解し、それらをトッププレート共に示す図である。 図2に示すインクジェットヘッドを図2のIV−IV線で切断して、一部を拡大して見た断面図である。 第1実施形態の圧電アクチュエータから第1圧電層及び第2圧電層を取り除いた状態で示す平面図である。 (a)複数の個別電極の形態を示す平面図、(b)第1共通電極の形態を示す平面図、(c)第2共通電極の形態を示す平面図である。 図5Aの一部を拡大して示す拡大平面図である。 第2共通電極が正規の位置(二点鎖線)からY方向一方(図7(a)の紙面右方向)にズレた状態を示す平面図である。 第2共通電極が正規の位置(二点鎖線)からY方向他方(図7(b)のの紙面左方向)にズレた状態を示す平面図である。 第1共通電極が正規の位置(二点鎖線)からY方向他方(図7(c)の紙面左方向)にズレた状態を示す平面図である。 第1共通電極が正規の位置(二点鎖線)からY方向一方(図7(d)の紙面右方向)にズレた状態を示す平面図である。 第2実施形態の圧電アクチュエータの一部を拡大して見た拡大平面図である。 第3実施形態の圧電アクチュエータの一部を拡大して見た拡大平面図である。 第4実施形態の圧電アクチュエータの一部を拡大して見た拡大平面図である。 第5実施形態の圧電アクチュエータの一部を拡大して見た拡大平面図である。 第6実施形態の圧電アクチュエータの一部を拡大して見た拡大平面図である。
符号の説明
12,112,212,312,412,512 圧電アクチュエータ
12a 第1圧電層
12b 第2圧電層
15 振動板
21 個別電極
22,222 第1共通電極
23,323,423,523 第2共通電極
30 個別電極列
30A 個別電極配置領域
31 第1定電位電極部
32 第1電極配線
33 第2定電位電極部
34,334,434,534 第2電極配線
35,135 電極用端子
90 ドライバIC
S1 第1の活性部
S2 第2の活性部

Claims (6)

  1. 振動板の一面側に形成された第1の圧電層と、その第1の圧電層の前記振動板とは反対側の面側に形成された第2の圧電層とを有して構成される圧電アクチュエータであって、
    前記第2の圧電層の前記第1の圧電層と反対側の面に設けられ、所定の方向に配列された複数の個別電極と、
    前記第1の圧電層と前記第2の圧電層との間に設けられるものであって、前記複数の個別電極の各々に対応するように前記所定の方向に配列された複数の第1定電位電極部と、これら複数の第1定電位電極部の全てと電気的に接続する第1電極配線とを有する第1共通電極と、
    前記振動板と前記第1の圧電層との間に設けられ、前記複数の個別電極の各々に対応するように前記所定の方向に配列された複数の第2定電位電極部と、これら複数の第2定電位電極部の全てと電気的に接続する第2電極配線とを有する第2共通電極とを備え、
    第1及び第2電極配線は、前記所定の方向に伸延し、かつ平面視互いに重ならないように配置されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 前記複数の第1定電位電極部の各々の外形の寸法は、平面視において、対応する個別電極及びこの個別電極に対応する第2定電位電極部の外形の寸法より小さく形成され、かつ各第1定電位電極部の全体がそれに対応する個別電極及び第2定電位電極部に重なるように配置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. 前記第1電極配線は、所定の方向に並べられた前記複数の個別電極の領域とこれらの領域を繋げる領域とを含む個別電極配置領域と平面視で重ならないように配置されており、
    前記第2電極配線は、前記個別電極配置領域と平面視で重なるように配置されていることを特徴とする請求項2に記載の圧電アクチュエータ。
  4. 前記複数の個別電極に選択的に電圧を印加する電圧印加手段に電気的に接続されるものであって、前記複数の個別電極の各々に電気的に接続される複数の個別電極用端子を更に有し、
    前記複数の個別電極用端子は、前記第2の圧電層の前記第1の圧電層と反対側の面において、前記個別電極配置領域の所定の方向と直交する方向における一方の脇に設けられ、
    前記第1電極配線は、平面視において、前記個別電極配置領域の前記直交する方向における他方の脇に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の圧電アクチュエータ。
  5. 平面視における所定の方向に直交する方向において、前記各第2電極配線が形成されている領域よりも第2定電位電極部が形成されている領域の方が広く形成されていることを特徴とする請求項3乃至4に記載の圧電アクチュエータ。
  6. 前記個別電極に第1定電位とこれと異なる第2定電位とを選択的に印加するとともに、前記第1電極配線を介して前記各第1定電位電極部に前記第1定電位を印加し、前記第2電極配線を介して第2定電位電極部に前記第2定電位を印加する電圧印加手段を更に備え、
    前記第2の圧電層において、前記各個別電極とこれに対応する第1定電位電極との間の部分が第1の活性部を成し、
    前記第1及び第2の圧電層において、前記各個別電極とこれに対応する第2定電位電極との間であって、前記各個別電極に対応する第1定電位電極の外側の部分が第2の活性部を成しており、
    前記第1の活性部は、前記各個別電極に第2定電位を印加すると、平面視で前記個別電極に対し直交する第1の方向に伸張するとともに、その第1の方向と直交する第2の方向に収縮するように構成され、
    前記第2の活性部は、前記各個別電極に第1定電位を印加すると、第1の方向に伸張するとともに、第2の方向に収縮するように構成されていることを特徴とする請求項2乃至5の何れか1つに記載の圧電アクチュエータ。
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