JP2011054592A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator.
従来から、様々な技術分野において、圧電層に電界が作用したときの圧電層の変形(圧電歪み)を利用して対象を駆動する、圧電アクチュエータが用いられている。例えば、特許文献1には、ノズルからインクの液滴を噴射するインクジェットヘッドに用いられる圧電アクチュエータが開示されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in various technical fields, piezoelectric actuators that drive an object using deformation (piezoelectric distortion) of a piezoelectric layer when an electric field acts on the piezoelectric layer have been used. For example, Patent Literature 1 discloses a piezoelectric actuator used in an inkjet head that ejects ink droplets from nozzles.
特許文献1の圧電アクチュエータは、積層された複数枚のセラミックスシート(圧電層)と、これら複数枚のセラミックスシートに形成された多数の電極からなる。複数枚のセラミックスシートのうち、第1セラミックスシートには、インクジェットヘッドの複数の圧力室にそれぞれ対応した複数の個別電極が形成されている。第2セラミックスシートには、複数の個別電極と対向する共通電極(コモン電極)が形成されている。そして、これら第1セラミックスシートと複数の第2セラミックスシートが交互に積層されている。さらに、交互に積層された第1、第2セラミックスシートの上部には、ダミーセラミックスシートとトップセラミックスシートの2枚のシートが積層されている。尚、積層された複数枚のセラミックスシートは、高温で焼成されて一体化される。 The piezoelectric actuator disclosed in Patent Document 1 includes a plurality of laminated ceramic sheets (piezoelectric layers) and a large number of electrodes formed on the plurality of ceramic sheets. Among the plurality of ceramic sheets, the first ceramic sheet is formed with a plurality of individual electrodes respectively corresponding to the plurality of pressure chambers of the inkjet head. A common electrode (common electrode) facing the plurality of individual electrodes is formed on the second ceramic sheet. And these 1st ceramic sheets and several 2nd ceramic sheets are laminated | stacked alternately. Furthermore, two sheets of a dummy ceramic sheet and a top ceramic sheet are laminated on the upper part of the first and second ceramic sheets laminated alternately. The laminated ceramic sheets are fired at a high temperature and integrated.
また、トップセラミックスシートの上面には、積層構造の内部に位置している内部電極(複数の個別電極や共通電極)と、配線部材(フレキシブルフラットケーブル)とを接続するための、複数の引き出し電極(表面電極)が形成されている。さらに、トップセラミックスシートよりも下側のシートの、引き出し電極の真下の位置には、内部電極(個別電極や共通電極)と引き出し電極を導通させるための中継電極(導通用電極)が形成され、内部電極と中継電極、及び、中継電極と上面の引き出し電極は、セラミックスシートに形成されたスルーホール内の導電性材料によって互いに導通している。 Also, on the top surface of the top ceramic sheet, a plurality of lead electrodes for connecting internal electrodes (a plurality of individual electrodes and a common electrode) located inside the laminated structure and a wiring member (flexible flat cable) (Surface electrode) is formed. Furthermore, an internal electrode (individual electrode or common electrode) and a relay electrode (conducting electrode) for conducting the lead electrode are formed at a position directly below the lead electrode of the sheet below the top ceramic sheet, The internal electrode and the relay electrode, and the relay electrode and the lead electrode on the upper surface are electrically connected to each other by the conductive material in the through hole formed in the ceramic sheet.
ところで、個別電極の数が多くなるほど、これらの個別電極と共通に対向する共通電極には大きな電流が流れることから、共通電極の電気抵抗をできるだけ小さくする必要があり、そのために、共通電極用の引き出し電極や中継電極は、電極面積が大きくなっている。しかし、電極材料と圧電材料(圧電セラミックス)とでは熱収縮率が異なるため、シート上に電極面積の大きな部分が存在していると、セラミックスシートの焼成時に、面積の大きな電極が形成されている部分とそうでない部分との間で大きな熱収縮差が生じ、その結果、圧電アクチュエータに反りが生じるといった不具合が発生する。そこで、特許文献1では、上述した熱収縮差を吸収するために、トップセラミックスシート上の共通電極用の引き出し電極にスリットが形成され、引き出し電極が複数に分割されている。また、その下のダミーセラミックスシートに形成された共通電極用の中継電極も複数に分割されている。 By the way, as the number of individual electrodes increases, a larger current flows through the common electrode facing the individual electrodes in common. Therefore, it is necessary to reduce the electric resistance of the common electrode as much as possible. The extraction electrode and the relay electrode have a large electrode area. However, since the electrode material and the piezoelectric material (piezoelectric ceramics) have different thermal shrinkage rates, an electrode with a large area is formed when the ceramic sheet is fired if a portion with a large electrode area exists on the sheet. A large heat shrinkage difference occurs between the portion and the portion that does not, and as a result, a problem occurs that the piezoelectric actuator is warped. Therefore, in Patent Document 1, in order to absorb the above-described thermal shrinkage difference, a slit is formed in the extraction electrode for the common electrode on the top ceramic sheet, and the extraction electrode is divided into a plurality. Further, the relay electrode for the common electrode formed on the dummy ceramic sheet below it is also divided into a plurality.
しかし、前記特許文献1においては、共通電極用の引き出し電極の真下に、この引き出し電極とスルーホールで接続される中継電極が配置され、複数の引き出し電極と複数の中継電極は、平面視で完全に重なっている。そのため、両方の電極が重なった電極密度の高い領域と、何れの電極も形成されていない電極密度の低い領域が面方向に隣接する。このような、電極密度の面方向に関するばらつきによっても、セラミックスシートの焼成時に熱収縮差が発生するため、特許文献1のように引き出し電極や中継電極が分割されているだけでは、圧電アクチュエータの反り等が生じ、所望の平面度を実現できない場合がある。 However, in Patent Document 1, a relay electrode connected to the lead electrode by a through hole is disposed directly below the common electrode lead electrode, and the plurality of lead electrodes and the plurality of relay electrodes are completely in plan view. It overlaps with. Therefore, a high electrode density region where both electrodes overlap and a low electrode density region where no electrode is formed are adjacent in the plane direction. Due to such variations in the electrode density in the surface direction, a difference in thermal shrinkage occurs when the ceramic sheet is fired. Therefore, the piezoelectric actuator is warped only by dividing the lead electrode and the relay electrode as in Patent Document 1. May occur, and the desired flatness may not be achieved.
また、引き出し電極と中継電極が重なった、電極密度が高い部分では、電極密度が低い部分と比べて電極厚みが大きいため、グリーンシート(焼成前のセラミックスシート)を複数枚積層させてプレスする際に、電極密度が高い部分ほどグリーンシートが強く圧縮されて密度が高くなる。この電極密度のばらつきに起因して生じる、グリーンシートの密度のばらつきも、焼成時の熱収縮差が大きくなる要因となる。 In addition, the portion where the lead electrode and the relay electrode overlap and where the electrode density is high has a larger electrode thickness than the portion where the electrode density is low, so when multiple green sheets (ceramic sheets before firing) are stacked and pressed In addition, the higher the electrode density, the stronger the green sheet is compressed and the higher the density. The variation in the density of the green sheet caused by the variation in the electrode density is also a factor in increasing the heat shrinkage difference during firing.
本発明の目的は、共通電極を圧電層の上面まで引き出す構造において、圧電層の面方向に関して電極密度の均一化を図ることである。 An object of the present invention is to make the electrode density uniform in the plane direction of the piezoelectric layer in a structure in which the common electrode is drawn to the upper surface of the piezoelectric layer.
第1の発明の圧電アクチュエータは、厚み方向に積層された上部圧電層及び下部圧電層と、前記上部圧電層の上面、又は、前記上部圧電層と前記下部圧電層の間に、平面的に配置された複数の個別電極と、前記下部圧電層の下面に配置され、少なくとも前記下部圧電層を挟んで前記複数の個別電極と対向する共通電極とを備え、
前記上部圧電層と前記下部圧電層の間には、前記下部圧電層を挟んで前記共通電極と対向する複数の中継電極が、前記圧電層の面方向に平行な所定の一方向に沿って配列され、前記共通電極と前記複数の中継電極は、前記下部圧電層に形成された複数の下部スルーホール内の導電性材料によって導通し、
前記上部圧電層の上面には、前記上部圧電層を挟んで前記複数の中継電極とそれぞれ対向する複数の引き出し電極が、前記複数の中継電極と同じく前記所定の一方向に沿って配列され、前記複数の中継電極と前記複数の引き出し電極は、前記上部圧電層に形成された複数の上部スルーホール内の導電性材料によってそれぞれ導通し、
前記複数の中継電極の各々は、前記上部スルーホールを介して接続された前記引き出し電極に対して前記所定の一方向にずれて配置され、隣接する2つの前記引き出し電極の間に前記中継電極が位置していることを特徴とするものである。
A piezoelectric actuator according to a first aspect of the present invention is planarly disposed between an upper piezoelectric layer and a lower piezoelectric layer stacked in a thickness direction, and an upper surface of the upper piezoelectric layer or between the upper piezoelectric layer and the lower piezoelectric layer. A plurality of individual electrodes, and a common electrode disposed on the lower surface of the lower piezoelectric layer and facing the plurality of individual electrodes with at least the lower piezoelectric layer interposed therebetween,
Between the upper piezoelectric layer and the lower piezoelectric layer, a plurality of relay electrodes facing the common electrode across the lower piezoelectric layer are arranged along a predetermined direction parallel to the surface direction of the piezoelectric layer. And the common electrode and the plurality of relay electrodes are electrically connected by a conductive material in a plurality of lower through holes formed in the lower piezoelectric layer,
On the upper surface of the upper piezoelectric layer, a plurality of lead electrodes respectively opposed to the plurality of relay electrodes across the upper piezoelectric layer are arranged along the predetermined one direction, similar to the plurality of relay electrodes, The plurality of relay electrodes and the plurality of lead electrodes are respectively conducted by a conductive material in a plurality of upper through holes formed in the upper piezoelectric layer,
Each of the plurality of relay electrodes is disposed so as to be shifted in the predetermined direction with respect to the lead electrode connected via the upper through hole, and the relay electrode is disposed between two adjacent lead electrodes. It is characterized by being located.
共通電極は下部圧電層の下面に配置され、それよりも上方に配置された複数の個別電極と対向する。また、この共通電極は、下部圧電層に形成された下部スルーホール、上部圧電層と下部圧電層の間に配置された中継電極、上部圧電層に形成された上部スルーホールを介して、上部圧電層の上面に形成された引き出し電極と接続されている。 The common electrode is disposed on the lower surface of the lower piezoelectric layer and faces a plurality of individual electrodes disposed above the common electrode. The common electrode is connected to the upper piezoelectric layer through a lower through hole formed in the lower piezoelectric layer, a relay electrode disposed between the upper piezoelectric layer and the lower piezoelectric layer, and an upper through hole formed in the upper piezoelectric layer. It is connected to an extraction electrode formed on the upper surface of the layer.
ここで、共通電極から引き出し電極までの電気抵抗を小さくするために、中継電極と引き出し電極の電極面積はそれぞれ大きくすることが好ましいが、圧電層焼成時の熱収縮差を小さくするために、中継電極と引き出し電極は、それぞれ面積の大きい1つの電極で構成されるのではなく、複数の電極に分割されている。そして、共通電極と1つの中継電極が、下部圧電層に形成された下部スルーホールによって接続され、さらに、1つの中継電極と1つの引き出し電極が上部圧電層に形成された上部スルーホールによって接続されている。 Here, in order to reduce the electrical resistance from the common electrode to the extraction electrode, it is preferable to increase the electrode area of each of the relay electrode and the extraction electrode. However, in order to reduce the thermal contraction difference when the piezoelectric layer is fired, The electrode and the extraction electrode are not composed of one electrode having a large area, but are divided into a plurality of electrodes. The common electrode and one relay electrode are connected by a lower through hole formed in the lower piezoelectric layer, and one relay electrode and one lead electrode are connected by an upper through hole formed in the upper piezoelectric layer. ing.
さらに、複数の中継電極の各々は、スルーホールを介して接続される引き出し電極に対してそれらの配列方向にずれて配置されており、隣接する2つの引き出し電極の間に中継電極が配置された構成となっている。これにより、上部圧電層下側の中継電極と上部圧電層上側の引き出し電極が重なる領域(電極密度の高い領域)が小さくなる一方で、中継電極と引き出し電極の何れも形成されていない領域(電極密度の低い領域)も小さくなり、圧電層の面方向に関して電極密度が均一化される。 Further, each of the plurality of relay electrodes is arranged so as to be shifted in the arrangement direction with respect to the extraction electrode connected through the through hole, and the relay electrode is arranged between two adjacent extraction electrodes. It has a configuration. As a result, the area where the relay electrode below the upper piezoelectric layer and the extraction electrode above the upper piezoelectric layer overlap (area where the electrode density is high) is reduced, while the area where neither the relay electrode nor the extraction electrode is formed (electrode) The region having a low density is also reduced, and the electrode density is made uniform in the plane direction of the piezoelectric layer.
第2の発明の圧電アクチュエータは、前記第1の発明において、1つの前記中継電極と1つの前記引き出し電極を接続する前記上部スルーホールは、前記1つの中継電極と前記共通電極を接続する前記下部スルーホールに対して、前記所定の一方向に関してずれて配置されていることを特徴とするものである。 The piezoelectric actuator according to a second aspect is the piezoelectric actuator according to the first aspect, wherein the upper through hole that connects one relay electrode and one lead electrode is the lower portion that connects the one relay electrode and the common electrode. It is characterized by being disposed with respect to the through hole with respect to the predetermined one direction.
導電性材料が充填される上部スルーホールと下部スルーホールについても、重なって配置されているとその部分で電極密度が高くなり、圧電層の面方向に関する電極密度のばらつきが大きくなってしまう。本発明によれば、上部スルーホールと下部スルーホールの位置がずれているため、面方向に関して電極密度がさらに均一化される。 If the upper through hole and the lower through hole filled with the conductive material are also arranged to overlap each other, the electrode density is increased at that portion, and the variation in the electrode density in the plane direction of the piezoelectric layer is increased. According to the present invention, since the positions of the upper through hole and the lower through hole are shifted, the electrode density is further made uniform in the plane direction.
第3の発明の圧電アクチュエータは、前記第2の発明において、前記上部スルーホールと前記下部スルーホールが、前記所定の一方向に関して交互に配置され、さらに、前記上部スルーホールと前記下部スルーホールの間の、前記所定の一方向における離間距離が全て等しいことを特徴とするものである。 The piezoelectric actuator according to a third aspect is the piezoelectric actuator according to the second aspect, wherein the upper through-holes and the lower through-holes are alternately arranged with respect to the predetermined direction, and the upper through-holes and the lower through-holes are further arranged. All the separation distances in the predetermined direction are the same.
この構成によれば、上部スルーホールと下部スルーホールが交互に等間隔で配置されているため、面方向に関して電極密度が一層均一化される。 According to this configuration, since the upper through holes and the lower through holes are alternately arranged at equal intervals, the electrode density is further uniform in the plane direction.
第4の発明の圧電アクチュエータは、前記第1〜第3の何れかの発明において、前記複数の上部スルーホールと前記複数の下部スルーホールの各々は、前記圧電層に局所的に密集して形成された複数の貫通孔の束からなることを特徴とするものである。 The piezoelectric actuator according to a fourth aspect of the present invention is the piezoelectric actuator according to any one of the first to third aspects, wherein each of the plurality of upper through-holes and the plurality of lower through-holes is locally concentrated in the piezoelectric layer. It consists of a bundle of a plurality of through-holes.
スルーホールとしては、1つの大きな貫通孔からなるものを採用してもよいが、複数の小さな貫通孔の束からなるものを採用することもできる。本発明では、後者の複数の貫通孔の束からなるスルーホールを採用することで、スルーホールが形成されている部分の電極密度が局所的に高くなることが抑えられる。 As the through hole, a hole made of one large through hole may be adopted, but a hole made of a bundle of a plurality of small through holes can also be adopted. In the present invention, it is possible to suppress the local increase in the electrode density of the portion where the through hole is formed by employing the latter through hole formed of a bundle of a plurality of through holes.
本発明によれば、複数の中継電極の各々は、スルーホールを介して接続される引き出し電極に対してずれており、隣接する2つの引き出し電極の間に中継電極が配置されているため、圧電層の面方向に関して電極密度が均一化される。 According to the present invention, each of the plurality of relay electrodes is displaced with respect to the extraction electrode connected through the through hole, and the relay electrode is disposed between two adjacent extraction electrodes. The electrode density is made uniform with respect to the plane direction of the layer.
次に、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態は、記録用紙に対してインクを噴射して画像等を記録するインクジェットヘッドの圧電アクチュエータに、本発明を適用した一例である。 Next, an embodiment of the present invention will be described. This embodiment is an example in which the present invention is applied to a piezoelectric actuator of an ink jet head that records an image or the like by ejecting ink onto a recording sheet.
図1は、本実施形態のインクジェットヘッドの斜視図、図2は、インクジェットヘッドの平面図である。尚、以下では、図1、図2の紙面手前側を上方、図1、図2の紙面向こう側を下方と定義して説明する。このインクジェットヘッド3は、図中の走査方向に往復移動しつつ、この走査方向と直交する紙送り方向に搬送される記録用紙(図示省略)に対して、下面に開口する複数のノズル15(図3参照)からインクの液滴を噴射する、いわゆる、シリアル式のインクジェットヘッドである。図1、図2に示すように、インクジェットヘッド3は、ノズル15や圧力室10を含むインク流路が形成された流路ユニット31と、この流路ユニット31の上面に配置された圧電アクチュエータ32とを備えている。また、図1に示すように、圧電アクチュエータ32の上面には、ドライバIC51を実装したフレキシブル配線基板(FPC)50が接合される。
FIG. 1 is a perspective view of the ink jet head of the present embodiment, and FIG. 2 is a plan view of the ink jet head. In the following description, the front side in FIG. 1 and FIG. 2 is defined as the upper side, and the other side in FIG. 1 and FIG. 2 is defined as the lower side. The ink-
まず、流路ユニット31について説明する。図1、図2に示すように、流路ユニット31の上面には、インクジェットヘッド3で使用される4色のインク(ブラック、イエロー、シアン、マゼンタ)がそれぞれ供給される4つのインク供給口9が設けられている。そして、流路ユニット31内には、前記インク供給口9に接続されたインク流路が形成されている。
First, the
図3はインクジェットヘッド3の部分拡大図であり、(a)は図2の一部拡大平面図、(b)は(a)のB−B線断面図、(c)は(a)のC−C線断面図である。図3に示すように、流路ユニット31は、互いに積層された4枚のプレート11〜14で構成されており、この流路ユニット31には、インク供給口9に接続されたマニホールド16と、マニホールド16に連通した複数の圧力室10と、複数の圧力室10にそれぞれ連通する複数のノズル15が形成されている。
3A and 3B are partially enlarged views of the
図3(b)に示されるマニホールド16は、インク供給口9から紙送り方向(図3(b)の紙面垂直方向)に延在している。図3(a)に示すように、複数の圧力室10は、それぞれ、走査方向を長手方向とする略楕円形の平面形状を有する。また、図2に示すように、複数の圧力室10は、紙送り方向に延在するマニホールド16に沿って配列されることで、1つの圧力室列8が構成されている。さらに、走査方向に隣接する2つの圧力室列8によって1つの圧力室群7が構成され、流路ユニット31には、合計5つの圧力室群7が設けられている。尚、5つの圧力室群7のうち、図2中右側に位置する2つの圧力室群7は、インク供給口9からブラックインクが供給される、ブラック用の圧力室群7である。また、図2中左側に位置する3つの圧力室群7は、3つのインク供給口9からそれぞれ3色のカラーインク(イエロー、マゼンタ、シアン)が供給される、カラー用の圧力室群7である。
The manifold 16 shown in FIG. 3B extends from the
複数の圧力室10にそれぞれ連通する複数のノズル15は、流路ユニット31の下面(最下層に位置するプレート14の下面)に開口している。また、図示は省略するが、これら複数のノズル15も、複数の圧力室10と同様に配列されており、図2中右側には、2つの圧力室群7にそれぞれ対応した、ブラックインクを噴射する2つのノズル群が配置され、図2中左側には、3つの圧力室群7にそれぞれ対応した、3色のカラーインク用を噴射する3つのノズル群が配置されている。
The plurality of
そして、図3(b)に示すように、流路ユニット31内には、インク供給口9に接続されたマニホールド16から分岐して、圧力室10を経てノズル15に至る、複数の個別インク流路17が形成されている。
As shown in FIG. 3 (b), a plurality of individual ink flow branches from the manifold 16 connected to the
次に、圧電アクチュエータ32について説明する。圧電アクチュエータ32は、3枚の圧電層(第1圧電層40、第2圧電層41、第3圧電層42)、複数の個別電極43、第1共通電極44、及び、第2共通電極45を有する。図4は、図2の圧電アクチュエータ32の左端部の一部拡大図であり、(a)は第1圧電層40(最上層)の上面から見た図、(b)は第2圧電層41(中間層)の上面から見た図、(c)は第3圧電層42(最下層)の上面から見た図である。尚、図4(a)〜(c)において、ハッチングされた部分は電極が形成されている領域を示している。
Next, the
3枚の圧電層40〜42は、それぞれ、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする強誘電性の圧電材料によって形成されており、互いに積層された状態で、複数の圧力室10を覆うように流路ユニット31の上面に配置されている。また、3枚の圧電層40〜42の積層体は、未焼成の3枚のグリーンシートに後述の電極をそれぞれ形成した後に積層し、高温で焼成することによって得られる。
The three
複数の個別電極43は、最上層の第1圧電層40の上面における、複数の圧力室10とそれぞれ対向する領域に設けられ、第1圧電層40の上面において平面的に配置されている。図3(a)〜(c)に示すように、各個別電極43は、圧力室10とほぼ同じ平面形状を有し、最上層の圧電層40の上面の、1つの圧力室10と対向する領域全体に設けられている。また、各個別電極43からは、圧力室10と対向しない領域へ、個別電極43をFPC50(図1参照)と接続するための接点部43aが引き出されている。
The plurality of
第1共通電極44は、第1圧電層40と中間層の第2圧電層41との間に配置されている。この第1共通電極44は、複数の圧力室10の短手方向(図3(c)における左右方向)に関する中央部とそれぞれ対向する複数の電極部分44aを含んでいる。また、電極部分44aは、第1圧電層40を挟んで個別電極43と対向している。さらに、図4(b)に示すように、複数の電極部分44aは互いに導通している。尚、図4(b)には、第2圧電層41の上面に第1共通電極44が配置されている形態が示されているが、第2圧電層41の上面に重ね合わされる、第1圧電層40の下面に第1共通電極44が配置されていてもよく、これら両方の形態は実質的に同じである。
The first
第2共通電極45は、第2圧電層41と最下層の第3圧電層42との間に配置されている。この第2共通電極45は、複数の圧力室10の短手方向端部とそれぞれ対向する複数の電極部分45aを含んでいる。また、電極部分45aは、第1圧電層40及び第2圧電層41を挟んで個別電極43と対向している。さらに、図4(c)に示すように、複数の電極部分45aは互いに導通している。尚、図4(c)には、第3圧電層42の上面に第2共通電極45が配置されている形態が示されているが、第3圧電層42の上面に重ね合わされる、第2圧電層41の下面に第2共通電極45が配置されていてもよく、これら両方の形態は実質的に同じである。
The second
尚、最上層の第1圧電層40が本願発明における「上部圧電層」に相当し、中間層の第2圧電層41が本願発明における「下部圧電層」に相当する。また、第2圧電層41の下側に位置する第2共通電極45が、本願発明の「共通電極」に相当する。
The uppermost first
また、第1圧電層40の、個別電極43と第1共通電極44の電極部分44aとに挟まれた圧電層部分(図3(c)における圧力室10の中央部と対向する部分:第1活性部35という)は、予め、その厚み方向に分極されている。また、第1圧電層40及び第2圧電層41の、個別電極43と第2共通電極45の電極部分45aとに挟まれた圧電層部分(図3(c)における圧力室10の左右両端部と対向する部分:第2活性部36という)も、予め、その厚み方向に分極されている。
Also, the piezoelectric layer portion of the first
尚、図1のように、圧電アクチュエータ32の上面(第1圧電層40の上面)にはFPC50が配置される。そして、第1圧電層40の上面に位置する複数の個別電極43は、それぞれから引き出された接点部43aを介してFPC50と接続される。また、第1圧電層40と第2圧電層41の間に位置する第1共通電極44は、第1圧電層40の上面に形成された引き出し電極46を介してFPC50と接続される。さらに、第2圧電層41と第3圧電層42の間に位置する第2共通電極45も、第1圧電層40の上面に形成された引き出し電極47を介してFPC50と接続される。3枚の圧電層40〜42の内部に位置する第1共通電極44及び第2共通電極45を、第1圧電層40の上面の引き出し電極46,47に接続する構造については、後ほど説明する。
As shown in FIG. 1, the
これにより、複数の個別電極43、第1共通電極44、及び、第2共通電極45は、それぞれ、FPC50に実装されたドライバIC51と接続されることになる。そして、ドライバIC51により、個別電極43の電位は、所定の駆動電位とグランド電位の間で切り替えられるようになっている。また、第1共通電極44は常に前記駆動電位に保持される一方、第2共通電極45は常にグランド電位に保持される。
As a result, the plurality of
以上説明した圧電アクチュエータ32の、インク噴射時における動作について述べる。
インクを噴射しない待機状態においては、ドライバIC51によって、複数の個別電極43にはそれぞれグランド電位が付与されている。また、ドライバIC51によって、第1共通電極44は常時駆動電位に保持されるとともに、第2共通電極45は常時グランド電位に保持されている。従って、待機状態では、個別電極43と第1共通電極44の間に電圧が印加されることになり、電極43,44の間に挟まれる第1活性部35に厚み方向の電界が作用する。この電界の方向は第1活性部35の分極方向と平行であるから、この第1活性部35は厚み方向と直交する面方向に収縮する。これにより、圧電層40〜42の圧力室10と対向する部分が、圧力室10側(図3(c)における下側)に凸となるように変形した状態となっている。このとき、圧力室10は、圧電層40が変形していない状態と比較して、その容積が小さくなっている。
The operation of the
In a standby state where ink is not ejected, the
この状態から、ドライバIC51によって、ある個別電極43の電位がグランド電位から前記所定の駆動電位に切り換えられると、この個別電極43と第1共通電極44の間に電圧が印加されなくなり、変形していた第1活性部35が元に戻る。同時に、個別電極43と第2共通電極45との間には電圧が印加されることになるため、電極43,45の間に挟まれる第2活性部36に厚み方向の電界が作用する。この電界の方向は第2活性部36の分極方向と平行であるから、第2活性部36は厚み方向と直交する面方向に収縮する。これにより、圧電層40〜42の圧力室10の略中央部と対向する部分が上方に引っ張られることとなり、圧電層40〜42の圧力室10と対向する部分は全体として圧力室10と反対側(図3(c)上側)に凸となるように変形して、圧力室10の容積が増加する。
From this state, when the potential of a certain
その後、ドライバIC51によって、個別電極43の電位が再びグランド電位に戻されると、個別電極43と第2共通電極45の間に電圧が印加されなくなり、第2活性部36の変形が元に戻る。同時に、第1活性部35が再び面方向に収縮して、圧電層40〜42の圧力室10と対向する部分が全体として圧力室10側に凸となる。このときに、圧力室10の容積が大きく減少するため、圧力室10内のインクの圧力が増加して、圧力室10に連通するノズル15からインクが噴射される。
Thereafter, when the potential of the
次に、第1共通電極44と第2共通電極45を、第1圧電層40の上面の引き出し電極46,47と接続する構造について説明する。図5は、図4(a)のV-V線断面図である。
Next, a structure in which the first
(第1共通電極44の引き出し構造)
図4(b)に示すように、第2圧電層41の図中左上部分の上面には、第1共通電極44の複数の電極部分44aに導通するとともに、平面的に広がった大きな電極面積を有する導通電極部44bが形成されている。また、図4(a)に示すように、第1圧電層40の上面には、この第1圧電層40を挟んで導通電極部44bと対向する、複数(ここでは6つ)の引き出し電極46が形成されており、これら複数の引き出し電極46はFPC50と接続される。また、複数の引き出し電極46は、第1圧電層40の縁と平行な方向(図4の上下方向)に等間隔で配列されている。さらに、図5に示すように、第1圧電層40の複数の引き出し電極46が配置されている部分には複数のスルーホール37が形成され、これら複数のスルーホール37にはそれぞれペースト状の導電性材料が充填されている。以上により、第1共通電極44の導通電極部44bと複数の引き出し電極46とが、複数のスルーホール37内の導電性材料により接続されている。
(Lead structure of first common electrode 44)
As shown in FIG. 4B, the upper surface of the upper left portion of the second
(第2共通電極45の引き出し構造)
図4(c)に示すように、第3圧電層42の図中左下部分の上面には、第2共通電極45の複数の電極部分45aに導通するとともに、平面的に広がった大きな電極面積を有する導通電極部45bが形成されている。また、図4(b)に示すように、第2圧電層41の上面には、この第2圧電層41を挟んで導通電極部45bと対向する、複数(ここでは6つ)の中継電極48が形成されている。これら複数の中継電極48は、第2圧電層41の縁と平行な方向(図4の上下方向)に等間隔で配列されている。さらに、第1圧電層40の上面には、複数の中継電極48とそれぞれ対向する、複数(ここでは6つ)の引き出し電極47が形成されており、これら複数の引き出し電極47はFPC50と接続される。また、複数の引き出し電極47も、複数の中継電極48と同様に、第2圧電層41の縁と平行な方向(図4の上下方向)に等間隔で配列されている。
(Extraction structure of the second common electrode 45)
As shown in FIG. 4C, the upper surface of the lower left portion of the third
また、図5に示すように、第2圧電層41の複数の中継電極48が配置されている部分には複数のスルーホール39(下部スルーホール)が形成されている。また、第1圧電層40の複数の引き出し電極47が配置されている部分にも複数のスルーホール38(上部スルーホール)が形成されている。そして、これらのスルーホール38,39にはそれぞれペースト状の導電性材料が充填されている。以上により、第2共通電極45の導通電極部45bと複数の中継電極48とが、複数のスルーホール39内の導電性材料により接続され、さらに、複数の中継電極48と複数の引き出し電極47が、複数のスルーホール38内の導電性材料により接続されている。
Further, as shown in FIG. 5, a plurality of through holes 39 (lower through holes) are formed in a portion of the second
ここで、多数のノズル15から同時にインクを噴射させる場合に、第1共通電極44や第2共通電極45に大きな電流が流れやすくなるように、ドライバIC51から共通電極44,45の電極部分44a,45aまでの電気抵抗はできるだけ小さくすることが好ましい。そのために、導通電極部44b,45bは大きな面積を有する、いわゆる、ベタ電極に形成されている。同じ理由で、引き出し電極46,47や中継電極48の電極面積も大きくすることが好ましいが、圧電層焼成時の熱収縮差を抑制するために、中継電極48と引き出し電極46,47は、それぞれ面積の大きい1つの電極で構成されるのではなく、複数の電極に分割されている。
Here, when ink is ejected simultaneously from a large number of
さらに、本実施形態においては、図4、図5に示すように、複数の中継電極48の各々は、スルーホール38を介して接続された引き出し電極47に対して、両電極47,48の配列方向(図4の上下方向、図5の左右方向)にずれて配置されている。そして、図5に示すように、1つの中継電極48は、これとスルーホール38で接続される引き出し電極47と、隣接する別の引き出し電極47との間に位置している。これにより、中継電極48と引き出し電極47とが重なる、電極密度の高い領域が小さくなる。また、その電極密度の高い領域の周囲に、中継電極48と引き出し電極47の何れも形成されていない電極密度の低い領域はほとんど存在しなくなる。図5では、中継電極48と引き出し電極47が重なっている領域(スルーホール38が形成されている部分)に対して、左右両側の領域は、何れか一方の電極が形成された領域となっている。従って、圧電層の面方向に関して電極密度が均一化される。
Further, in the present embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, each of the plurality of
また、導電性材料が充填されるスルーホール38(上部スルーホール)とスルーホール39(下部スルーホール)についても、上下に重なって配置されているとその部分で電極密度が高くなり、電極密度のばらつきが大きくなってしまう。本実施形態では、図5に示すように、上側のスルーホール38は、中継電極48の端部と引き出し電極47の端部とが重なる部分に形成されるとともに、下側のスルーホール39は、中継電極48の、スルーホール38との接続端部とは反対側の端部と接続されるように形成されている。これにより、1つの中継電極48と1つの引き出し電極47を接続するスルーホール38は、前記1つの中継電極48と第2共通電極45(導通電極部45b)を接続するスルーホール39に対して、電極47,48の配列方向に関してずれて配置されている。この構成により、圧電層の面方向に関して電極密度がさらに均一化される。さらに、図5のように、スルーホール38,39が、電極47,48の配列方向に関して交互に配置されている場合には、スルーホール38,39の間の、配列方向に関する離間距離Lが全て等しいことが好ましい。
In addition, when the through hole 38 (upper through hole) and the through hole 39 (lower through hole) filled with the conductive material are arranged so as to overlap each other, the electrode density is increased at that portion, and the electrode density is reduced. Variation will increase. In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the upper through-
また、スルーホール37,38,39の各々は、第1圧電層40や第2圧電層41に、局所的に密集して形成された複数の貫通孔の束からなるものであることが好ましい。図6は、図5のスルーホール38,39の拡大図である。スルーホールとしては、1つの大きな貫通孔からなるものを採用してもよいが、図6に示すような、複数の貫通孔38a,39aの束からなるスルーホールを採用することで、スルーホール38,39が形成されている部分の電極密度が局所的に高くなるのをできるだけ抑えることができる。
Further, each of the through
尚、複数の貫通孔の束からなるスルーホールと、1つの大きな貫通孔からなるスルーホールとを比較すると、スルーホール全体としてのサイズ(径や長さ)が同じであれば、1つの大きな貫通孔からなるスルーホールの方が導電性材料の充填量が多く、導通信頼性は高い。しかし、本実施形態のように、1つの第1共通電極44や第2共通電極45を、複数のスルーホール37,38,39を用いて引き出し電極46,47と接続する場合には、個々のスルーホール37,38,39の導通信頼性はそれほど高くなくてもよい。そこで、電極密度の均一化を優先して、図6のようなスルーホールを採用することが好ましい。
When a through hole made up of a bundle of a plurality of through holes and a through hole made up of one large through hole are compared, if the size (diameter and length) of the entire through hole is the same, one large through hole A through hole made of a hole has a larger filling amount of the conductive material and has higher conduction reliability. However, when one first
次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。 Next, modified embodiments in which various modifications are made to the embodiment will be described. However, components having the same configuration as in the above embodiment are given the same reference numerals and description thereof is omitted as appropriate.
1]前記実施形態では、中継電極48と引き出し電極47の位置がずれた上で、中継電極48の上下に位置する2つのスルーホール38,39の位置もずれて配置されていたが、2つのスルーホール38,39の位置が重なっていてもよい。
1] In the above embodiment, the positions of the
先にも述べたが、中継電極48と引き出し電極47が重なっている部分では電極厚みが大きくなり、未焼成のグリーンシートを積層したときにはその部分が特に強く圧縮されてグリーンシートの密度が高くなる。そして、このグリーンシートの密度のばらつきによっても、焼成時において圧電層に熱収縮差が生じて平面度が低下する。このグリーンシートの密度ばらつきによる熱収縮差の影響が非常に大きい場合には、中継電極48と引き出し電極47の位置をずらすだけでも、平面度の改善が十分期待できる。
As described above, the electrode thickness is increased at the portion where the
あるいは、スルーホール38,39内の導電性材料の充填量が中継電極48や引き出し電極47と比べて少なく、スルーホール38,39が重なって配置されていても、中継電極48や引き出し電極47が完全に重なっている場合ほど、面方向の電極密度のばらつきが大きくならない場合には、上下のスルーホール38,39の位置を重ねてもさほど問題は生じない。
Alternatively, the filling amount of the conductive material in the through
2]本発明を適用可能な圧電アクチュエータ32の構造は前記実施形態には限られない。即ち、共通電極の上に2枚以上の圧電層が存在し、共通電極を、2枚の圧電層の間に配置された中継電極を介して上面の引き出し電極まで引き出すものであれば、構造は特に限定されない。
2] The structure of the
例えば、図7(a)に示すように、合成樹脂、PZT等の圧電セラミックス、あるいは、アルミナやジルコニア等のセラミックス材料といった絶縁材料からなる振動板60と、この振動板60に積層された2枚の圧電層(上部圧電層61、下部圧電層62)と、上部圧電層61の上面に配置された個別電極63と、下部圧電層62の下面(振動板60の上面)に配置された共通電極65を有する、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ32Aであってもよい。また、個別電極63が上部圧電層61の上面に配置されている必要もなく、図7(b)に示すように、個別電極が、上部圧電層61と下部圧電層62の間に配置されていてもよい。
For example, as shown in FIG. 7A, a
また、図8に示すように、4枚以上の圧電層70〜73が積層されて、それら圧電層70〜73の間に、個別電極74と共通電極75が交互に配置された、いわゆる、積層型の圧電アクチュエータ32Bであってもよい。図8の形態では、一番下に位置している共通電極75から、最上層の圧電層70の上面へ引き出す構造において、本発明を適用できる。
Further, as shown in FIG. 8, four or more
尚、共通電極の上方に位置する圧電層の枚数は2枚に限られず、3枚以上の圧電層が共通電極の上に積層されてもよい(図8はその一例である)。即ち、本発明の上部圧電層や下部圧電層の一方又は両方が、実際には複数枚の圧電層で構成されてもよい。 The number of piezoelectric layers positioned above the common electrode is not limited to two, and three or more piezoelectric layers may be stacked on the common electrode (FIG. 8 is an example thereof). That is, one or both of the upper piezoelectric layer and the lower piezoelectric layer of the present invention may actually be composed of a plurality of piezoelectric layers.
以上説明した実施形態は、本発明を、記録用紙にインクを噴射して画像等を記録するインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータに適用したものであるが、本発明の適用対象は、このようなインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータに限られない。また、インクなどの液体を取り扱う装置に用いられる圧電アクチュエータに限られるものでもない。 In the embodiment described above, the present invention is applied to a piezoelectric actuator for an inkjet head that records an image or the like by ejecting ink onto a recording sheet. The application target of the present invention is such an inkjet head. It is not limited to the piezoelectric actuator for use. Further, the present invention is not limited to a piezoelectric actuator used in a device that handles liquid such as ink.
32,32A,32B 圧電アクチュエータ
38 スルーホール
38a 貫通孔
39 スルーホール
39a 貫通孔
40 第1圧電層
41 第2圧電層
43 個別電極
45 第2共通電極
47 引き出し電極
48 中継電極
61 上部圧電層
62 下部圧電層
63 個別電極
65 共通電極
70〜73 圧電層
74 個別電極
75 共通電極
32, 32A,
Claims (4)
前記上部圧電層の上面、又は、前記上部圧電層と前記下部圧電層の間に、平面的に配置された複数の個別電極と、
前記下部圧電層の下面に配置され、少なくとも前記下部圧電層を挟んで前記複数の個別電極と対向する共通電極とを備え、
前記上部圧電層と前記下部圧電層の間には、前記下部圧電層を挟んで前記共通電極と対向する複数の中継電極が、前記圧電層の面方向に平行な所定の一方向に沿って配列され、前記共通電極と前記複数の中継電極は、前記下部圧電層に形成された複数の下部スルーホール内の導電性材料によって導通し、
前記上部圧電層の上面には、前記上部圧電層を挟んで前記複数の中継電極とそれぞれ対向する複数の引き出し電極が、前記複数の中継電極と同じく前記所定の一方向に沿って配列され、前記複数の中継電極と前記複数の引き出し電極は、前記上部圧電層に形成された複数の上部スルーホール内の導電性材料によってそれぞれ導通し、
前記複数の中継電極の各々は、前記上部スルーホールを介して接続された前記引き出し電極に対して前記所定の一方向にずれて配置され、隣接する2つの前記引き出し電極の間に前記中継電極が位置していることを特徴とする圧電アクチュエータ。 An upper piezoelectric layer and a lower piezoelectric layer laminated in the thickness direction;
A plurality of individual electrodes arranged in a plane between the upper surface of the upper piezoelectric layer or between the upper piezoelectric layer and the lower piezoelectric layer;
A common electrode disposed on the lower surface of the lower piezoelectric layer and facing at least the individual electrodes across the lower piezoelectric layer;
Between the upper piezoelectric layer and the lower piezoelectric layer, a plurality of relay electrodes facing the common electrode across the lower piezoelectric layer are arranged along a predetermined direction parallel to the surface direction of the piezoelectric layer. And the common electrode and the plurality of relay electrodes are electrically connected by a conductive material in a plurality of lower through holes formed in the lower piezoelectric layer,
On the upper surface of the upper piezoelectric layer, a plurality of lead electrodes respectively opposed to the plurality of relay electrodes across the upper piezoelectric layer are arranged along the predetermined one direction, similar to the plurality of relay electrodes, The plurality of relay electrodes and the plurality of lead electrodes are respectively conducted by a conductive material in a plurality of upper through holes formed in the upper piezoelectric layer,
Each of the plurality of relay electrodes is disposed so as to be shifted in the predetermined direction with respect to the lead electrode connected via the upper through hole, and the relay electrode is disposed between two adjacent lead electrodes. A piezoelectric actuator characterized by being positioned.
さらに、前記上部スルーホールと前記下部スルーホールの間の、前記所定の一方向における離間距離が全て等しい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。 The upper through hole and the lower through hole are alternately arranged with respect to the predetermined one direction,
3. The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the separation distances in the predetermined one direction between the upper through hole and the lower through hole are all equal.
The plurality of upper through-holes and the plurality of lower through-holes each include a bundle of a plurality of through-holes formed to be locally densely formed in the piezoelectric layer. A piezoelectric actuator according to claim 1.
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