JP2015058573A

JP2015058573A - 圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの製造方法

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Publication number: JP2015058573A
Application number: JP2013191955A
Authority: JP
Inventors: 恭兵内藤; Kyohei Naito; 瑞代竹林; Mizuyo Takebayashi; 圭司蔵; Keiji Kura
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-03-30
Anticipated expiration: 2033-09-17
Also published as: JP6264801B2

Abstract

【課題】圧電アクチュエータにおいて、静電容量を小さくする。【解決手段】インク分離層４１と圧電層４２との間に配置され、グランド電位保持される下部電極４４の重なり部４４ａは、圧力室１０の搬送方向の両端部と重なっている。圧電層４２と圧電層４３との間に配置され、駆動電位に保持される中間電極４５の重なり部４５ａは、圧力室１０の搬送方向の中央部と重なっている。圧電層４３の上面に配置された上部電極４６は、圧力室１０のほぼ全域と重なっている。圧電層４３の重なり部４５ａと上部電極４６とに挟まれた第１活性部６１は上向きに分極され、圧電層４２、４３の重なり部４４ａと上部電極４６とに挟まれた第２活性部６２は下向きに分極されている。圧電層４２、４３の、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって所定強度以上の電界が発生する部分６３は、第２活性部６２よりも分極が小さくなっている。【選択図】図６

Description

本発明は、圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの製造方法に関する。

特許文献１に記載のインクジェットヘッドでは、圧電アクチュエータが、３つの圧電層と、個別電極と、第１共通電極と、第２共通電極とを備えている。３つの圧電層は、互いに積層され、圧力室を覆うように配置されている。個別電極は、最も上側の圧電層の上面に配置され、圧力室のほぼ全域と重なっている。第１共通電極は、上側の圧電層と中央の圧電層との間に配置され、圧力室の中央部と重なっている。第１共通電極は、駆動電位に保持されている。第２共通電極は、中央の圧電層と下側の圧電層との間に配置され、紙送り方向における圧力室の両端部と重なっている。第２共通電極は、グランド電位に保持されている。また、上側の圧電層の個別電極と第１共通電極とに挟まれた部分、及び、上側及び中央の圧電層の、個別電極と第２共通電極とに挟まれ、且つ、第１共通電極とは重ならない部分は、３つの圧電層の厚み方向に分極されている。そして、この圧電アクチュエータでは、個別電極の電位をグランド電位と駆動電位との間で切り換えることにより、３つの圧電層の圧力室と重なる部分を圧力室側及び圧力室と反対側に撓ませることができる。

特開２０１３−１２４１９５号公報

ここで、特許文献１に記載されているようなインクジェットヘッドでは、圧電アクチュエータが、各層の材質や厚み等に応じた静電容量を持っている。静電容量の異なる複数の圧電アクチュエータを比較した場合、一般に、静電容量の大きい圧電アクチュエータほど、駆動したときに発生する熱が大きくなる。また、静電容量の大きい圧電アクチュエータほど、個別電極の電位を切り換えたときの電位の変化が緩やかになる。特許文献１に記載されているようなインクジェットヘッドでは、高速印刷を可能とするために、個別電極の電位を切り換える周波数である駆動周波数を高くすることが要求されることがあるが、個別電極の電位を切り換えたときの電位の変化が緩やかであると、駆動周波数を高くすることができない。

本発明の目的は、静電容量の小さい圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの製造方法を提供することである。

第１の発明に係る圧電アクチュエータは、第１圧電層と、前記第１圧電層と積層された第２圧電層と、前記第１圧電層と前記第２圧電層との間に配置され、所定の第１電位に保持される第１定電位電極と、前記第１定電位電極との間で前記第２圧電層を挟むように配置された駆動電極と、前記駆動電極との間で、前記第１圧電層及び前記第２圧電層のうち、前記第１定電位電極と重なる部分とは異なる部分を挟むように配置され、前記第１電位と異なる第２電位に保持される第２定電位電極と、を備え、前記第２圧電層の前記第１定電位電極と前記駆動電極とに挟まれた部分は、前記第２圧電層の厚み方向と平行な第１分極方向に分極された第１活性部となっており、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の、前記駆動電極と前記第２定電位電極とに挟まれ、且つ、前記第１定電位電極と重ならない部分は、前記第１分極方向と逆の第２分極方向に分極された第２活性部となっており、前記駆動電極には、前記第１活性部に前記第１分極方向と同じ向きの電界を発生させるような第１駆動電位と、前記第２活性部に前記第２分極方向と同じ向きの電界を発生させるような第２駆動電位のいずれかの電位が選択的に付与され、前記第１圧電層及び前記第２圧電層のうち、前記第１定電位電極と前記第２定電位電極との電位差によって生じる電界の強度が所定強度以上となる第１部分は、前記第２活性部よりも分極が小さくなっている。

本発明によると、第１部分において第２活性部よりも分極が小さくなっているため、第１部分の分極の大きさが第２活性部の分極の大きさ以上の場合よりも第１部分の見かけの誘電率が小さくなる。これにより、第１部分の分極の大きさが第２活性部の分極の大きさ以上の場合よりも圧電アクチュエータの静電容量を小さくすることができる。

ここで、第１、第２圧電層の、第１定電位電極と第２定電位電極との電位差によって所定強度以上の電界が生じる第１部分は、圧電アクチュエータの駆動中、第１定電位電極と第２定電位電極との電位差によって収縮した状態に保持され、駆動電極の電位を第１駆動電位と第２駆動電位との間で切り換えても伸縮しない。すなわち、第１、第２圧電層の第１部分の分極の大きさが変わっても、第１部分が圧電アクチュエータの撓み量に与える影響はほとんど変わらない。よって、第１部分において第２活性部よりも分極が小さくなった本発明の圧電アクチュエータと、第１部分の分極の大きさが第２活性部の分極の大きさ以上の圧電アクチュエータとで、駆動時の撓み量にほとんど差がない。

第２の発明に係る圧電アクチュエータは、第１の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、中立面が前記第１圧電層内に位置し、前記第１圧電層と前記第２圧電層との間に、前記第１圧電層と前記第２圧電層との積層方向から見て、前記第１定電位電極との間で前記第２活性部を挟むように配置された別の電極をさらに備え、前記第１圧電層及び前記第２圧電層のうち、前記別の電極を前記第１電位とした状態で前記別の電極と前記第２定電位電極との間の電位差によって生じる電界の強度が、前記所定強度以上となる第２部分は、前記第２活性部よりも分極が小さくなっている。

本発明によると、第１、第２圧電層の第２部分において第２活性部よりも分極が小さくなっているため、第２部分の分極の大きさが第２活性部の分極の大きさ以上の場合よりも第２部分の見かけの誘電率が小さくなる。これにより、第２部分の分極の大きさが第２活性部の分極の大きさ以上の場合よりも圧電アクチュエータの静電容量を小さくすることができる。

ここで、圧電アクチュエータの中立面が第１圧電層の内部に位置している場合、圧電アクチュエータが撓むときには、第１圧電層のうち、中立面に対して一方側に位置する部分において収縮し、他方側に位置する部分で伸長する。しかしながら、これらの発明の圧電アクチュエータでは、第１圧電層の中立面を挟んだ両側の部分が一体的に伸縮するため、第１圧電層の分極の大きさが変わっても、第１圧電層の伸縮が圧電アクチュエータの撓み量に与える影響はほとんど変わらない。第２部分において第２活性部よりも分極が小さくなった本発明の圧電アクチュエータと、第２部分の分極の大きさが第２活性部の分極の大きさ以上の圧電アクチュエータとで、撓み量にほとんど差がない。

第３の発明に係る圧電アクチュエータの製造方法は、第１の発明に係る圧電アクチュエータを製造するための圧電アクチュエータの製造方法であって、前記第１圧電層、前記第２圧電層、前記第１定電位電極、前記第２定電位電極及び前記駆動電極を含む構造体を形成する構造体形成工程と、前記第１定電位電極と、前記駆動電極及び前記第２定電位電極との間に電位差を生じさせることによって、前記第２圧電層の前記第１定電位電極と前記駆動電極とに挟まれた部分を前記第１分極方向に分極させて第１活性部とする第１分極工程と、前記第１定電位電極及び前記駆動電極と、前記第２定電位電極との間に電位差を生じさせることによって、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の、前記駆動電極と前記第２定電位電極とに挟まれ、且つ、前記第１定電位電極と重ならない部分を前記第２分極方向に分極させて第２活性部とする第２分極工程と、前記第１分極工程及び前記第２分極工程の後、前記第１定電位電極及び前記駆動電極と、前記第２定電位電極との間に、前記第２分極工程と逆で、且つ、前記第２分極工程よりも小さい電位差を生じさせることによって、前記第１部分において前記第２活性部よりも分極を小さくする脱分極工程と、を備えている。

本発明によると、脱分極工程によって、第１部分において第２活性部よりも分極が小さくなるため、脱分極工程を行わない場合よりも、第１部分の見かけの誘電率が小さくなる。これにより、脱分極工程を行わない場合よりも、圧電アクチュエータの静電容量を小さくすることができる。

第４の発明に係る圧電アクチュエータの製造方法は、第２の発明に係る圧電アクチュエータを製造するための圧電アクチュエータの製造方法であって、前記第１圧電層、前記第２圧電層、前記第１定電位電極、前記第２定電位電極、前記駆動電極及び前記別の電極を含む構造体を形成する構造体形成工程と、前記第１定電位電極と、前記駆動電極及び前記第２定電位電極との間に電位差を生じさせることによって、前記第２圧電層の前記第１定電位電極と前記駆動電極とに挟まれた部分を前記第１分極方向に分極させて第１活性部とする第１分極工程と、前記第１定電位電極及び前記駆動電極と、前記第２定電位電極との間に電位差を生じさせることによって、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の、前記駆動電極と前記第２定電位電極とに挟まれ、且つ、前記第１定電位電極と重ならない部分を前記第２分極方向に分極させて第２活性部とする第２分極工程と、前記第１分極工程及び前記第２分極工程の後、前記第１定電位電極及び前記駆動電極と、前記第２定電位電極との間に、前記第２分極工程と逆で、且つ、前記第２分極工程よりも小さい電位差を生じさせるとともに、前記別の電極を前記第１定電位電極と同電位とすることによって、前記第１部分及び前記第２部分において前記第２活性部よりも分極を小さくする脱分極工程と、を備えている。

本発明によると、脱分極工程によって、第１、第２圧電層の第２部分において第２活性部よりも分極が小さくなるため、脱分極工程を行わない場合よりも、第２部分の見かけの誘電率が小さくなる。これにより、脱分極工程を行わない場合よりも、圧電アクチュエータの静電容量を小さくすることができる。

本発明によれば、第１部分の分極の大きさが第２活性部の分極の大きさ以上の場合よりも、圧電アクチュエータの静電容量を小さくすることができる。

本発明の実施の形態に係るプリンタの概略構成図である。図１のインクジェットヘッドの平面図である。図２の圧電アクチュエータの各層の上面の平面図であり、（ａ）がインク分離層の上面、（ｂ）が下側の圧電層の上面、（ｃ）が上側の圧電層の上面を示している。図２のIV−IV線断面図である。図２のＶ−Ｖ線断面図である。インクジェットヘッドの製造工程を示す工程図である。変形例１の図５相当の図である。変形例２の図５相当の図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係るプリンタ１は、キャリッジ２、インクジェットヘッド３、搬送ローラ４などを備えている。キャリッジ２は走査方向に延びた２本のガイドレール５に支持され、ガイドレール５に沿って走査方向に移動可能となっている。なお、以下では、図１に示すように走査方向に右側及び左側を定義して説明を行う。

インクジェットヘッド３は、キャリッジ２に搭載され、その下面に形成された複数のノズル１５からインクを吐出させる。搬送ローラ４は、走査方向と直交する搬送方向におけるキャリッジ２の両側に配置され、記録用紙Ｐを搬送方向に搬送する。

そして、プリンタ１では、搬送ローラ４により記録用紙Ｐを搬送方向に搬送させつつ、キャリッジ２とともに走査方向に往復移動するインクジェットヘッド３からインクを吐出させることによって、記録用紙Ｐに印刷を行う。

次に、インクジェットヘッド３について説明する。インクジェットヘッド３は、図２〜図５に示すように、ノズル１５や後述の圧力室１０等のインク流路が形成された流路ユニット２１と、圧力室１０内のインクに圧力を付与するための圧電アクチュエータ２２とを備えている。なお、図面を分かりやすくするため、図２では、流路ユニット２１の圧力室１０及びノズル１５以外のインク流路、後述の下部電極４４及び中間電極４５の図示を省略している。また、図５では、流路ユニット２１のうち後述のプレート３１のみを図示している。

流路ユニット２１は、４枚のプレート３１〜３４が互いに積層されることによって形成されている。これら４枚のプレート３１〜３４のうち、３枚のプレート３１〜３３は、ステンレスなどの金属材料からなる。プレート３４は、ポリイミドなどの合成樹脂材料からなる。あるいは、プレート３４もプレート３１〜３３と同様、金属材料からなるものであってもよい。

プレート３１には、複数の圧力室１０が形成されている。圧力室１０は、走査方向を長手方向とする略矩形の平面形状を有している。また、複数の圧力室１０は、搬送方向に配列されることによって圧力室列９を形成し、プレート３１には、４つの圧力室列９が走査方向に配列されている。

プレート３２には、複数の圧力室１０の左端部と重なる部分に、略円形の平面形状を有する複数の貫通孔１２が形成されている。また、プレート３２には、複数の圧力室１０の走査方向における右端部と重なる部分に、略円形の平面形状を有する複数の貫通孔１３が形成されている。

プレート３３には、４本のマニホールド流路１１が形成されている。４本のマニホールド流路１１は、４つの圧力室列９に対応しており、各圧力室列９を形成する複数の圧力室１０にまたがって搬送方向に延び、各圧力室列９を形成する複数の圧力室１０の、走査方向における貫通孔１３側の端部以外の部分と重なっている。

また、各マニホールド流路１１には、搬送方向下流側の端部に設けられたインク供給口８からインクが供給される。また、プレート３３には、複数の貫通孔１３と重なる部分に、略円形の複数の貫通孔１４が形成されている。プレート３４には、複数の貫通孔１３と重なる部分に複数のノズル１５が形成されている。

そして、流路ユニット２１においては、マニホールド流路１１が貫通孔１２を介して圧力室１０と連通し、圧力室１０が貫通孔１３、１４を介してノズル１５と連通している。このように、流路ユニット２１には、マニホールド流路１１の出口から圧力室１０を経てノズルに至る複数の個別インク流路が形成されている。

圧電アクチュエータ２２は、インク分離層４１、圧電層４２、４３、下部電極４４、中間電極４５、複数の上部電極４６及び脱分極用電極４７を備えている。インク分離層４１は、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圧電材料からなり、流路ユニット２１の上面に、複数の圧力室１０を覆うように配置されている。インク分離層４１は、圧力室１０内のインクが次に説明する圧電層４２及び下部電極４４に接触してしまうのを防止するためのものである。なお、インク分離層４１は、次に説明する圧電層４２、４３とは異なり、圧電材料からなるものであることには限られず、合成樹脂材料などの絶縁性を有する別の材料からなるものであってもよい。

圧電層４２は、インク分離層４１と同様の圧電材料からなり、インク分離層４１の上面に配置されている。圧電層４３は、インク分離層４１及び圧電層４２と同様の圧電材料からなり、圧電層４２の上面に配置されている。

下部電極４４は、インク分離層４１と圧電層４２との間に配置されている。下部電極４４は、複数の重なり部４４ａ、４つの接続部４４ｂ、接続部４４ｃ及び引出部４４ｄを有している。複数の重なり部４４ａは、略矩形の平面形状を有し、各圧力室１０の搬送方向における両端部と重なっている。より詳細に説明すると、最も搬送方向の上流側に配置された重なり部４４ａは、最も搬送方向の上流側に配置された圧力室１０の搬送方向の上流側の端部と重なっている。また、最も搬送方向の下流側に配置された重なり部４４ａは、最も搬送方向の下流側に配置された圧力室１０の搬送方向の下流側の端部と重なっている。また、これら２つの重なり部４４ａ以外の重なり部４４ａは、搬送方向に隣接する２つの圧力室１０にまたがっている。そして、これらの重なり部４４ａは、搬送方向の上流側の端部が、２つの圧力室１０のうち搬送方向の上流側の圧力室１０の下流側の端部と重なり、搬送方向の下流側の端部が、２つの圧力室１０のうち搬送方向の下流側の圧力室１０の上流側の端部と重なっている。

４つの接続部４４ｂは、４つの圧力室列９に対応して設けられ、搬送方向に延びて各圧力室列９に対応する複数の重なり部４４ａの左端部同士を接続している。接続部４４ｃは、走査方向に延びて、４つの接続部４４ｂの搬送方向における上流側の端部同士を接続している。引出部４４ｄは、接続部４４ｃの左端部から搬送方向の下流側に引き出されている。また、引出部４４ｄは、圧電層４２、４３に形成されたスルーホール３９ａを介して、圧電層４３の上面に引き出され、圧電層４３の上面の引出部４４ｄと重なる部分に配置された表面電極４８と接続されている。表面電極４８は、圧電アクチュエータ２２の上方に配置されたＣＯＦ（Chip On Film）５０上に実装されたドライバＩＣ５１に接続され、ドライバＩＣ５１は、ＣＯＦ５０上の図示しない配線、表面電極４８及びスルーホール３９ａを介して、下部電極４４を常にグランド電位に保持している。

中間電極４５は、圧電層４２と圧電層４３との間に配置されている。中間電極４５は、複数の重なり部４５ａ、４つの接続部４５ｂ、接続部４５ｃ及び引出部４５ｄを有している。複数の重なり部４５ａは、略矩形の平面形状を有し、各圧力室１０の略中央部と重なっている。また、複数の重なり部４５ａは、複数の重なり部４４ａとは重なっていない。４つの接続部４５ｂは、４つの圧力室列９に対応して設けられ、搬送方向に延びて各圧力室列９に対応する複数の重なり部の右端部同士を接続している。接続部４５ｃは、走査方向に延びて、４つの接続部４５ｂの搬送方向における下流側の端部同士を接続している。引出部４５ｄは、接続部４５ｃの左端部から搬送方向の上流側に引き出されている。また、引出部４５ｄは、圧電層４３に形成されたスルーホール３９ｂを介して、圧電層４３の上面に引き出され、圧電層４３の上面の引出部４５ｄと重なる部分に配置された表面電極４９と接続されている。表面電極４９は、ドライバＩＣ５１に接続され、ドライバＩＣ５１は、ＣＯＦ５０上の図示しない配線、表面電極４９及びスルーホール３９ｂを介して、中間電極４４を常に、例えば２０Ｖなど、グランド電位とは異なる所定の駆動電位に保持している。

複数の上部電極４６は、複数の圧力室１０に対して個別に設けられている。上部電極４６は、略矩形の平面形状を有し、対応する圧力室１０のほぼ全域と重なるように配置されている。これにより、上部電極４６は、搬送方向における略中央部において、中間電極４５の重なり部４５ａと重なり、搬送方向における両端部において、下部電極４４の重なり部４４ａと重なっている。また、上部電極４６の右端部は、走査方向に圧力室１０と重ならない部分まで引き出され、その先端部が接続端子４６ａとなっている。接続端子４６ａは、ドライバＩＣ５１と接続されている。ドライバＩＣ５１は、ＣＯＦ５０上の図示しない配線を介して、各上部電極４６に対して個別に、グランド電位及び上記駆動電位のいずれかの電位を選択的に付与する。

脱分極用電極４７は、圧電層４２と圧電層４３との間の、各重なり部４４ａの搬送方向における両側の部分に配置されている。これにより、上下方向から見て、圧電層４２、４３の下部電極４４の重なり部４４ａと上部電極４６とに挟まれた部分が、脱分極用電極４７と中間電極４５の重なり部４５ａとによって搬送方向から挟まれている。脱分極用電極４７は、圧電層４３に形成されたスルーホール３９ｃを介して圧電層４３の上面に引き出されているが、他の電極や配線などとは接続されていない。

また、電極４４〜４７がこのように配置されているのに対応して、圧電層４３の、中間電極４５と上部電極４６とに挟まれた第１活性部６１が上向きに分極され、圧電層４２、４３の下部電極４４と上部電極４６とに挟まれた第２活性部６２部分が下向きに分極されている。

また、圧電層４２、４３のうち、図５の一点鎖線で囲まれた部分６３、６４は、第２活性部６２よりも分極が小さく、且つ、分極の向きが第２活性部と逆になっている。部分６３は、圧電層４２、４３のうち、下部電極４４をグランド電位とし、中間電極４５を上記駆動電極としたときに、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって生じる電界の強度が所定電界強度Ｍ以上となる部分であり、その大部分は圧電層４２の一部である。また、部分６３には、圧電層４２、４３の下部電極４４の重なり部４４ａと上部電極４６とに挟まれた部分のうち、搬送方向における重なり部４４ａ側の一部分が含まれる。ここで、所定電界強度Ｍは、例えば、上部電極４６に駆動電位を付与したときに、第２活性部６２に発生する電界の強度等である。

部分６４は、圧電層４２、４３のうち、下部電極４４をグランド電位とし、脱分極用電極４７を上記駆動電位としたときに、下部電極４４と脱分極用電極４７との間の電位差によって生じる電界の強度が所定電界強度Ｍ以上となる部分であり、その大部分は圧電層４２の一部である。部分６４には、圧電層４２、４３の重なり部４４ａと上部電極４６とに挟まれた部分のうち、搬送方向における重なり部４４ａと反対側の一部分が含まれる。

また、インク分離層４１及び圧電層４２、４３のヤング率や厚み、電極４４〜４７のヤング率や面積の関係などから、圧電アクチュエータ２２の中立面Ｓは、圧電層４２内に位置している。ここで、中立面とは、流路ユニット２１に固定されていない状態の圧電アクチュエータ２２に曲げモーメントが加えられたときに、伸縮しない面のことである。

ここで、圧電アクチュエータ２２を駆動してノズル１５からインクを吐出させる方法について説明する。圧電アクチュエータ２２では、予め、全ての上部電極４６がグランド電位に保持されている。この状態では、中間電極４５と上部電極４６と電位差により第１活性部６１に厚み方向と平行な上向きの電界が生じ、この電界の向きは第１活性部６１の分極方向と同じであるため、圧電層４３の中間電極４５と上部電極４６とに挟まれた部分が、面方向に収縮している。これにより、インク分離層４１及び圧電層４２、４３の圧力室１０と重なる部分が全体として圧力室１０側に凸となるように撓んでいる。

あるノズル１５からインクを吐出させるためには、当該ノズル１５に対応する上部電極４６の電位を一旦駆動電位に切り換え、所定時間経過後、上部電極４６の電位をグランド電位に戻す。上部電極４６の電位を駆動電位に切り換えると、中間電極４５と上部電極４６とが同電位となることで、上述の第１活性部６１が変形前の状態に戻る。さらに、下部電極４４と上部電極４６との電位差によって第２活性部６２に厚み方向と平行な下向きの電界が発生する。この電界の向きは第２活性部６２の分極の向きと同じであるため、第２活性部６２が搬送方向に収縮する。これにより、インク分離層４１及び圧電層４２、４３が全体として、圧力室１０と反対側に凸となるように撓む。その結果、圧力室１０の容積が増加して圧力室１０内のインクが低下することとなり、マニホールド流路１１側から圧力室１０にインクが供給される。

そして、上部電極４６の電位をグランド電位に戻すと、第２活性部６２が収縮前の状態に戻るとともに、上述したのと同様、インク分離層４１及び圧電層４２、４３の圧力室１０と重なる部分が全体として圧力室１０側に凸となるように撓む。これにより、圧力室１０の容積が低下して圧力室１０内のインクの圧力が上昇し、圧力室１０に連通するノズル１５からインクが吐出される。

ここで、本実施の形態では、圧電アクチュエータ２２に、上述のような駆動に必要な下部電極４４、中間電極４５及び上部電極４６に加えて、脱分極用電極４７が設けられている。しかしながら、脱分極用電極４７は他の電極や配線などと接続されておらず、また、導電性を有する脱分極用電極４７内には電界が発生しないことから、脱分極用電極４７の有無によって、インク分離層４１、圧電層４２、４３の圧力室１０と重なる部分の撓み量はほとんど変わらない。

次に、インクジェットヘッド３の製造方法について説明する。インクジェットヘッド３を製造するためには、まず、図６（ａ）に示すように、インク分離層４１、圧電層４２、４３、電極４４〜４６を備えた構造体を作製し、作製した構造体を流路ユニット２１に接合する。なお、上記構造体を作製する方法は従来と同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

次に、図６（ｂ）に示すように、下部電極４４及び上部電極４６をグランド電位（０Ｖ）にし、中間電極４４を２０Ｖとすることにより、圧電層４３の中間電極４５と上部電極４６とに挟まれた部分を上向きに分極させて第１活性部６１にする。次に、図６（ｃ）に示すように、下部電極４４をグランド電位にし、中間電極４５及び上部電極４６を４０Ｖとすることにより、圧電層４２、４３の下部電極４４と上部電極４６とに挟まれた部分を下向きに分極させて第２活性部６２とする。

次に、図６（ｄ）に示すように、下部電極４４を５Ｖとし、中間電極４５、上部電極４６及び脱分極用電極４７をグランド電位とする。ここで、図６（ｂ）、（ｃ）の工程では、中間電極４５が下部電極４４よりも高電位であるため、上記部分６３、６４を含む、圧電層４２、４３の下部電極４４及び中間電極４５の周囲の部分に、電界が発生する。そして、この電界によっても圧電層４２、４３が分極される。これに対して、図６（ｄ）の工程では、下部電極４４が中間電極４５よりも高電位となり、下部電極４４と中間電極４５との電位差の大小関係が、図６（ｂ）、（ｃ）の工程と逆になる。これにより、図６（ｂ）、（ｃ）の工程において分極された、圧電層４２、４３の部分６３、６４の分極の向きが反転するとともに、分極の大きさが図６（ｄ）の工程の直前よりも小さくなる。

ここで、図６（ｂ）〜（ｄ）の工程では、図６（ａ）の工程の後、圧電アクチュエータ２２にＣＯＦ５０を接続し、ドライバＩＣ５１により、下部電極４４、中間電極４５及び上部電極４６に電位を付与する。あるいは、ドライバＩＣ５１とは別の電源などにより、下部電極４４、中間電極４５及び上部電極４６に電位を付与する。また、図６（ｄ）の工程では、ドライバＩＣ５１又は別の電源を、スルーホール３９ｃを介して圧電層４３の上面に引き出された脱分極用電極４７に一時的に接続して、脱分極用電極４７をグランド電位にする。そして、以上の工程によって、インクジェットヘッド３が製造される。

以上に説明した実施の形態によると、圧電アクチュエータ２２では、上述したように、圧電層４２、４３の部分６３、６４が第２活性部６２よりも分極が小さくなっている。一方、圧電層４２、４３は、分極が大きくなるほど見かけの誘電率が大きくなることが一般に知られている。したがって、圧電アクチュエータ２２は、部分６３、６４の分極の大きさが第２活性部６２の分極の大きさ以上である場合よりも、圧電層４２、４３の見かけの誘電率が低く、圧電アクチュエータ２２の静電容量が小さくなっている。すなわち、本実施の形態では、図６（ｄ）の工程で圧電層４２、４３の部分６３、６４を第２活性部６２よりも分極を小さくすることによって、図６（ｄ）の工程を行わない場合よりも、圧電アクチュエータ２２の静電容量を小さくすることができる。

また、圧電アクチュエータ２２の駆動時には、下部電極４４が常にグランド電位に保持され、中間電極４５が常に駆動電位に保持されているため、圧電層４２、４３の部分６３には、常に下部電極４４と中間電極４５との電位差によって所定電界強度Ｍ以上の電界が発生している。そして、この電界により、部分６３は常に収縮している。上部電極４６を駆動電位にして第２活性部６２に電界を発生させたときには、部分６３の一部にも電界が作用するが、上述の通り、部分６３は、圧電アクチュエータ２２の駆動中、常に収縮しているため、下部電極４４の重なり部４４ａと上部電極４６との間の電位差により生じる電界によって、部分６３が収縮することはない。すなわち、部分６３の分極の大きさが変わっても、部分６３が、圧電アクチュエータ２２の圧力室１０と重なる部分の総撓み量に与える影響はほとんど変わらない。ここで、圧電アクチュエータ２２の圧力室１０と重なる部分の総撓み量とは、上部電極４６をグランド電位にしたときの、インク分離層４１、圧電層４２、４３の圧力室１０と重なる部分の圧力室１０側への撓み量と、上部電極４６を駆動電位にしたときの、インク分離層４１、圧電層４２、４３の圧力室１０と重なる部分の圧力室１０と反対側への撓み量との合計のことである。

また、圧電アクチュエータ２２の圧力室１０と重なる部分が撓むときには、圧電アクチュエータ２２は、中立面Ｓにおいては伸縮せず、中立面Ｓよりも上側及び下側の部分のうち、一方の部分において収縮し、他方の部分において伸長する。一方、圧電アクチュエータ２２の中立面Ｓが、圧電層４２内に位置している場合には、上部電極４６の電位を切り換えたときに、第２活性部６２の圧電層４２によって形成されている部分は、中立面Ｓよりも上側の部分と下側の部分とが一体的に伸縮する。そのため、圧電アクチュエータ２２の駆動時の第２活性部６２の圧電層４２によって形成される部分の伸縮の程度が変わっても、第２活性部６２の圧電層４２によって形成される部分が、圧電アクチュエータ２２の圧力室１０と重なる部分の総撓み量に与える影響はほとんど変わらない。したがって、圧電層４２、４３の部分６３、６４の分極を第２活性部６２よりも小さくしても、圧電アクチュエータ２２を駆動したときの、圧電アクチュエータ２２の圧力室１０と重なる部分の総撓み量はほとんど変わらない。

なお、本実施の形態では、圧電層４２が本発明に係る第１圧電層に相当し、圧電層４３が本発明に係る第２圧電層に相当する。また、中間電極４５が本発明に係る第１定電位電極に相当し、上部電極４６が本発明に係る駆動電極に相当し、下部電極４４が本発明に係る第２定電位電極に相当する。また、脱分極用電極４７が本発明に係る別の電極に相当する。また、上記駆動電位が本発明に係る第１電位及び第１駆動電位に相当し、グランド電位が本発明に係る第２電位及び第２駆動電位に相当する。また、第１活性部６１の分極方向が本発明に係る第１分極方向に相当し、第２活性部６２の分極方向が本発明に係る第２分極方向に相当する。

また、図６（ａ）に示す工程が、本発明に係る構造体作製工程に相当する。また、図６（ｂ）に示す工程が、本発明に係る第１分極工程に相当する。また、図６（ｃ）に示す工程が本発明に係る第２分極工程に相当する。また、図６（ｄ）に示す工程が本発明に係る脱分極工程に相当する。

次に、本実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。

上述の実施の形態では、圧電層４２と圧電層４３との間に脱分極用電極４７が配置され、圧電層４２、４３の部分６３、６４の両方において、第２活性部６２よりも分極が小さくなっていたが、これには限られない。

一変形例（変形例１）では、図７に示すように、圧電層４２と圧電層４３との間に中間電極４５及び脱分極用電極４７のうち、中間電極４５のみが配置されている。また、圧電層４２、４３は、部分６３、６４のうち部分６３においてのみ、第２活性部６２よりも分極が小さくなっている。

インク分離層４１、圧電層４２、４３のヤング率や厚み、電極４４〜４６のヤング率や面積の関係等から、圧電アクチュエータ２２の中立面Ｓが、インク分離層４１内、圧電層４３内等、圧電層４２内とは異なる面上に位置することもある。そして、そのような場合には、第２活性部６２の圧電層４２によって形成された部分の伸縮の程度が変われば、圧電アクチュエータ２２の圧力室１０と重なる部分の総撓み量に与える影響も変わる。そのため、部分６４において第２活性部６２よりも分極を小さくすると、部分６４の分極の大きさが第２活性部６２の分極の大きさ以上である場合よりも、圧電アクチュエータ２２の圧力室１０と重なる部分の総撓み量が小さくなる。一方、部分６３は、上述の通り、圧電アクチュエータ２２の駆動時に、常に収縮しているため、中立面Ｓの位置によらず、部分６３が、圧電アクチュエータ２２の圧力室１０と重なる部分の総撓み量に与える影響はほとんど変わらない。したがって、変形例１では、部分６３、６４のうち、部分６３のみにおいてのみ第２活性部６２よりも分極を小さくすることにより、部分６４の分極の大きさが第２活性部６２の分極の大きさ以上である場合よりも、圧電アクチュエータ２２の静電容量を小さくすることができる。

また、圧電アクチュエータ２２の中立面Ｓが圧電層４２内に位置している場合でも、圧電層４２、４３が、部分６３において第２活性部６２よりも分極が小さくなっていることによって、部分６３の分極の大きさが第２活性部６２の分極の大きさ以上である場合よりも圧電アクチュエータ２２の静電容量を小さくすることができる。

また、上述の実施の形態では、下部電極４４の重なり部４４ａと中間電極４５の重なり部４５ａとが重ならないようになっていたが、これには限られない。別の一変形例（変形例２）では、図８に示すように、下部電極４４が、インク分離層４１と圧電層４２との間のほぼ全域にわたって連続的に配置され、下部電極４４と重なり部４５ａとが重なっている。この場合にも、上述の実施の形態と同様、図６（ａ）〜（ｄ）と同様の工程によって圧電アクチュエータ２２を製造することができる。ここで、変形例２では、図６（ｂ）、（ｃ）に対応する工程において、圧電層４２の下部電極４４と中間電極４５の重なり部４５ａとに挟まれた部分６５が厚み方向の下向きに分極されてしまう。しかしながら、図６（ｄ）に対応する工程において、重なり部４４ａと重なり部４５ａとの電位差によって生じる電界により、上述の部分６３において第２活性部６２よりも分極が小さくなるのに加えて、部分６５において第２活性部６２よりも分極が小さくなる。したがって、最終的に製造される圧電アクチュエータ２２において、圧電層４２の部分６５の分極によって、圧電アクチュエータ２２の静電容量が大きくなることはない。

また、上述の実施の形態では、下部電極４４がグランド電位に保持され、中間電極４５が駆動電位に保持され、これに対応して、第１活性部６１が上向きに分極され、第２活性部６２が下向きに分極されていたが、これには限られない。例えば、下部電極４４が駆動電位に保持され、中間電極４５がグランド電位に保持され、これに対応して、第１活性部６１が下向きに分極され、第２活性部６２が上向きに分極されていてもよい。

また、上述の実施の形態では、上部電極４６にグランド電位及び上記駆動電位のいずれかが選択的に付与されるようになっていたが、これには限られない。上部電極４６に、第１活性部６１に第１分極方向と同じ向きの電界を発生させるような別の第１駆動電位、及び、第２活性部６２に第２分極方向と同じ向きの電界を発生させるような別の第２駆動電位のいずれかが選択的に付与されるようになっていてもよい。具体的には、例えば、上部電極４６に、１８Ｖなど上記駆動電位よりも少し低い第１駆動電位、及び、２Ｖなどグランド電位よりも少し高い第２駆動電位のいずれかの電位が選択的に付与されるようになっていてもよい。

また、以上では、ノズルからインクを吐出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及びその製造に本発明を適用した例について説明したが、これには限られない。例えば、ノズルからインク以外の液体を吐出する、インクジェットヘッド以外の液体吐出装置に用いられる圧電アクチュエータ及びその製造に本発明を適用することも可能である。さらには、液体吐出装置以外の装置に用いられる圧電アクチュエータ及びその製造に本発明を適用することも可能である。

４２、４３圧電層
４４下部電極
４５中間電極
４６上部電極
４７脱分極用電極

Claims

第１圧電層と、
前記第１圧電層と積層された第２圧電層と、
前記第１圧電層と前記第２圧電層との間に配置され、所定の第１電位に保持される第１定電位電極と、
前記第１定電位電極との間で前記第２圧電層を挟むように配置された駆動電極と、
前記駆動電極との間で、前記第１圧電層及び前記第２圧電層のうち、前記第１定電位電極と重なる部分とは異なる部分を挟むように配置され、前記第１電位と異なる第２電位に保持される第２定電位電極と、を備え、
前記第２圧電層の前記第１定電位電極と前記駆動電極とに挟まれた部分は、前記第２圧電層の厚み方向と平行な第１分極方向に分極された第１活性部となっており、
前記第１圧電層及び前記第２圧電層の、前記駆動電極と前記第２定電位電極とに挟まれ、且つ、前記第１定電位電極と重ならない部分は、前記第１分極方向と逆の第２分極方向に分極された第２活性部となっており、
前記駆動電極には、前記第１活性部に前記第１分極方向と同じ向きの電界を発生させるような第１駆動電位と、前記第２活性部に前記第２分極方向と同じ向きの電界を発生させるような第２駆動電位のいずれかの電位が選択的に付与され、
前記第１圧電層及び前記第２圧電層のうち、前記第１定電位電極と前記第２定電位電極との電位差によって生じる電界の強度が所定強度以上となる第１部分は、前記第２活性部よりも分極が小さくなっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
中立面が前記第１圧電層内に位置し、
前記第１圧電層と前記第２圧電層との間に、前記第１圧電層と前記第２圧電層との積層方向から見て、前記第１定電位電極との間で前記第２活性部を挟むように配置された別の電極をさらに備え、
前記第１圧電層及び前記第２圧電層のうち、前記別の電極を前記第１電位とした状態で前記別の電極と前記第２定電位電極との間の電位差によって生じる電界の強度が、前記所定強度以上となる第２部分は、前記第２活性部よりも分極が小さくなっ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。
請求項１に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記第１圧電層、前記第２圧電層、前記第１定電位電極、前記第２定電位電極及び前記駆動電極を含む構造体を形成する構造体形成工程と、
前記第１定電位電極と、前記駆動電極及び前記第２定電位電極との間に電位差を生じさせることによって、前記第２圧電層の前記第１定電位電極と前記駆動電極とに挟まれた部分を前記第１分極方向に分極させて第１活性部とする第１分極工程と、
前記第１定電位電極及び前記駆動電極と、前記第２定電位電極との間に電位差を生じさせることによって、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の、前記駆動電極と前記第２定電位電極とに挟まれ、且つ、前記第１定電位電極と重ならない部分を前記第２分極方向に分極させて第２活性部とする第２分極工程と、
前記第１分極工程及び前記第２分極工程の後、前記第１定電位電極及び前記駆動電極と、前記第２定電位電極との間に、前記第２分極工程と逆で、且つ、前記第２分極工程よりも小さい電位差を生じさせることによって、前記第１部分において前記第２活性部よりも分極を小さくする脱分極工程と、を備えていることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記第１圧電層、前記第２圧電層、前記第１定電位電極、前記第２定電位電極、前記駆動電極及び前記別の電極を含む構造体を形成する構造体形成工程と、
前記第１定電位電極と、前記駆動電極及び前記第２定電位電極との間に電位差を生じさせることによって、前記第２圧電層の前記第１定電位電極と前記駆動電極とに挟まれた部分を前記第１分極方向に分極させて第１活性部とする第１分極工程と、
前記第１定電位電極及び前記駆動電極と、前記第２定電位電極との間に電位差を生じさせることによって、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の、前記駆動電極と前記第２定電位電極とに挟まれ、且つ、前記第１定電位電極と重ならない部分を前記第２分極方向に分極させて第２活性部とする第２分極工程と、
前記第１分極工程及び前記第２分極工程の後、前記第１定電位電極及び前記駆動電極と、前記第２定電位電極との間に、前記第２分極工程と逆で、且つ、前記第２分極工程よりも小さい電位差を生じさせるとともに、前記別の電極を前記第１定電位電極と同電位とすることによって、前記第１部分及び前記第２部分において前記第２活性部よりも分極を小さくする脱分極工程と、を備えていることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。