JP2015139982A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電アクチュエータの駆動時の変形量を大きくする。【解決手段】圧電層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の対向部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の対向部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４２の上面の対向部４５ａと重なる部分には、圧電層４１〜４３を構成する圧電材料よりも誘電率の低い低誘電部４７が配置され、対向部４５ａは、低誘電部４７が配置された圧電層４２の上面に配置されている。【選択図】図５

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関する。

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、第１共通電極が駆動電位に保持され、第２共通電極がグランド電位に保持されているため、第１共通電極と第２共通電極との間の電位差により、中央の圧電層の、個別電極と第２共通電極とに挟まれて分極された部分が含まれている。そして、圧電層のこの部分は、上記電界により常に収縮した状態となる。そのため、圧電層のこの部分は、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て圧電アクチュエータを駆動したときに伸縮せず、圧電アクチュエータの駆動時における圧電層の変形量を低下させる要因となる。

本発明の目的は、駆動時の変形量を大きくすることが可能な圧電アクチュエータ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圧電層とを含む積層体と、前記第２圧電層の前記第１圧電層と反対側の面に配置された駆動電極と、前記第１圧電層と前記第２圧電層との間に、前記駆動電極との間で前記第２圧電層を挟むように配置され、所定の第１電位に保持可能に構成された第１定電位電極と、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、前記第１定電位電極と重ならない部分を挟むように配置され、前記第１電位と異なる第２電位に保持可能に構成された第２定電位電極と、を備え、前記第２圧電層の前記駆動電極と前記第１定電位電極とに挟まれた部分は、前記第２圧電層の厚み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、第１活性部と反対向きに分極された第２活性部となっており、前記積層体の、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電界が発生する部分に、前記第１圧電層よりも誘電率が小さい低誘電部が設けられている。

低誘電部がないとすると、第１定電位電極が第１電位に保持され、第２定電位電極が第２電位に保持されたときに、第１定電位電極と第２定電位電極との間の電位差により、第２活性部の一部分に常に大きな電界が発生し、第２活性部のこの部分が常に第１、第２圧電層の面方向に収縮した状態となる。すなわち、第２活性部の一部分が、駆動時と待機時とに関わらず常に第１、第２圧電層の面方向に収縮したままとなり、駆動時に第２活性部全体が伸縮する場合と比べて、圧電アクチュエータの駆動時の変形量が大きく低下する虞がある。本発明では、積層体の、第１定電位電極と第２定電位電極との電位差によって電界が生じる部分に、第１圧電層よりも誘電率の低い低誘電部が設けられている。これにより、第１定電位電極と第２定電位電極との電位差により発生する電界は、低誘電部において大きくなり、第２活性部において小さくなる。その結果、駆動時の圧電アクチュエータの変形量を大きくすることができる。

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、前記低誘電部が、前記第１定電位電極の前記第２圧電層と反対側に、前記第１定電位電極と重なるように配置されている。

本発明によると、低誘電部を、第１定電位電極の第２圧電層と反対側に、第１定電位電極と重なるように配置すれば、第１定電位電極の第１圧電層側を通って第２定電位電極に至る電気力線が低誘電部を通る。これにより、低誘電部がない場合と比較して、第１定電位電極と第２定電位電極との電位差によって第２活性部を形成する部分に発生する電界を小さくすることができる。

第３の発明に係る圧電アクチュエータは、第２の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、前記低誘電部が、前記第１圧電層の前記第２圧電層側の面に配置され、前記第１定電位電極が、前記低誘電部が配置された前記第１圧電層の前記第２圧電層側の面に配置されている。

本発明によると、低誘電部を、第１圧電層の第２圧電層側の面に配置し、低誘電部が配置された第１圧電層の第２圧電層側の面に第１定電位電極を配置すれば、第１定電位電極の第１圧電層側を通って第２定電位電極に至る電気力線が低誘電部を通る。これにより、第１定電位電極と第２定電位電極との電位差によって第２活性部を形成する電界を特に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は、第３の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、前記低誘電部は、前記第１活性部の全域と重なっている。

本発明によると、低誘電部が第１活性部の全域と重なるように配置すれば、第１定電位電極の第１圧電層側を通って第２定電位電極に至る電気力線が必ず低誘電部を通る。これにより、第１定電位電極と第２定電位電極との電位差によって第２活性部に発生する電界を確実に小さくすることができる。

第５の発明に係る圧電アクチュエータは、第４の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、複数の前記駆動電極が、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の面方向に沿った所定の第１方向に配列され、前記第１定電位電極は、前記第１方向に沿って配列され、複数の前記駆動電極と対向する複数の第１対向部と、前記第１方向に延びて、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の面方向と平行で且つ前記第１方向と直交する第２方向における、前記複数の第１対向部の片側の端部同士を導通させる第１導通部と、を備え、前記第２定電位電極は、前記第１方向に沿って配列され、複数の前記駆動電極と対向する複数の第２対向部と、前記第１方向に延びて、前記第２方向における前記複数の第２対向部の片側の端部同士を導通させる第２導通部と、を備え、前記低誘電部は、前記複数の第１対向部に対して個別に設けられ、各第１対向部の全域と重なっており、前記第１導通部とは重なっていない。

本発明によると、第１定電位電極が複数の第１対向部とこれらを導通させる第１導通部とを備えている場合に、低誘電部を、各第１対向部と重なり、第１導通部とは重ならないように配置することで、低誘電部を第１活性部の全域と重なるように配置することができる。

第６の発明に係る圧電アクチュエータは、第３〜第５のいずれかの発明に係る圧電アクチュエータにおいて、前記第１定電位電極と前記第２定電位電極とが、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の面方向と平行な所定の一方向に離れて配置され、前記一方向において、前記低誘電部が前記第１定電位電極からはみ出している。

低誘電部が、第１圧電層の第２圧電層側の面に配置されている場合、圧電アクチュエータの製造において、第１圧電層の第２圧電層側となる面に低誘電部を形成し、さらに、低誘電部が形成された第１圧電層の第２圧電層側となる面に第１定電位電極を形成することがある。このとき、低誘電部と第１定電位電極とに一方向の位置ずれが生じて、第１定電位電極が低誘電部からはみ出してしまうと、第１定電位電極の低誘電部からはみ出した部分の第１圧電層側を通って第２定電位電極に至る電気力線が低誘電部を通らなくなり、第１定電位電極が低誘電部からはみ出していない場合と比較して、第２活性部に大きな電界が発生する虞がある。本発明では、一方向において、低誘電部が、第１定電位電極からはみ出しているため、第１圧電層の第２圧電層側となる面に、上記のようにして第１定電位電極と低誘電部とを形成する場合に、低誘電部と第１定電位電極とに一方向の位置ずれが生じても、第１定電位電極が低誘電部からはみ出すことがない。

第７の発明に係る圧電アクチュエータは、第６の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、前記積層体が、前記第１圧電層の前記第２圧電層と反対側に積層された絶縁層をさらに含み、前記一方向における前記低誘電部の前記第１定電位電極からのはみ出し量が、前記一方向における前記第１定電位電極と前記第２定電位電極との間隔よりも短い。

低誘電部が、第１圧電層の第２圧電層側の面に配置され、第１圧電層の第２圧電層と反対側の面に絶縁層が設けられている場合、第１圧電層側となる面に第２定電位電極が形成された絶縁層と、第２圧電層側となる面に第１定電位電極及び低誘電部が形成された第１圧電層と、第１圧電層と反対側となる面に駆動電極が形成された第２圧電層とを積層させることによって、圧電アクチュエータを形成することがある。このとき、絶縁層と第１圧電層との位置ずれによって低誘電部が第２定電位電極と重なると、低誘電部が第２定電位電極と重なっていない場合と比較して、駆動電極と第２定電位電極との電位差によって第２活性部に生じる、圧電アクチュエータを駆動させるための電界が小さくなり、圧電アクチュエータの変形量が低下する虞がある。

これに対して、本発明では、一方向における低誘電部の第１定電位電極からのはみ出し量が、一方向における第１定電位電極と第２定電位電極との間隔よりも短いため、絶縁層と第１圧電層とが一方向の多少位置ずれしても低誘電部が、第２定電位電極と重なることがない。

第８の発明に係る圧電アクチュエータは、第２の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、前記積層体が、前記第１圧電層の前記第２圧電層と反対側に積層された絶縁層をさらに含み、前記低誘電部が、前記第１圧電層と前記絶縁層との間に配置されている。

本発明によると、低誘電部が、第１圧電層と絶縁層との間に配置されている場合、第１圧電層側となる面に第２定電位電極及び低誘電部が形成された絶縁層と、第２圧電層側となる面に第１定電位電極が形成された第１圧電層と、第１圧電層と反対側となる面に駆動電極が形成された第２圧電層とを積層させて圧電アクチュエータを形成することがある。このとき、絶縁層と第１圧電層との位置ずれによって低誘電部が第２定電位電極と重なると、低誘電部が第２定電位電極とが重なっていない場合と比較して、駆動電極と第２定電位電極との電位差によって第２活性部に生じる、圧電アクチュエータを駆動させるための電界が小さくなり、圧電アクチュエータの変形量が低下する虞がある。

これに対して、本発明では、低誘電部を、第２定電位電極が形成されているのと同じ、絶縁層の第１圧電層側となる面に形成するため、絶縁層と第１圧電層とが一方向に位置ずれしても、第２定電位電極と低誘電部とがずれて、低誘電部が第２定電位電極と重なることがない。

第９の発明に係る圧電アクチュエータは、第１〜第８のいずれかの発明に係る圧電アクチュエータにおいて、前記低誘電部が、第１圧電層の前記第１定電位電極と重なる部分と、前記第１圧電層の記第２活性部を形成する部分との間に設けられている。

本発明によると、第１圧電層の第１定電位電極と重なる部分と、第１圧電層の第２活性部を形成する部分との間に低誘電部を設ければ、第１定電位電極の第１圧電層側を通って第２定電位電極に至る電気力線が低誘電部を通る。これにより、低誘電部がない場合と比較して、第１定電位電極と第２定電位電極との間の電位差によって第２活性部に発生する電界を小さくすることができる。

第１０の発明に係る圧電アクチュエータは、第９の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、前記低誘電部が、前記第１圧電層の厚み方向の全体にわたって延びている。

本発明によると、第１圧電層の第１定電位電極と重なる部分と、第１圧電層の第２活性部を形成する部分との間に低誘電部を設ける場合に、第１圧電層の厚み方向の全体にわたって延びた低誘電部を設ければ、第１定電位電極の第１圧電層側を通って第２定電位電極に至る電気力線がより確実に低誘電部を通る。これにより、第１定電位電極と第２定電位電極との間の電位差によって第２活性部に発生する電界を特に小さくすることができる。

本発明によれば、低誘電部がない場合と比較して、第１定電位電極と第２定電位電極との電位差によって第２活性部に発生する電界を小さくして、圧電アクチュエータの駆動時の変形量を大き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方法を説明するための図面であり、（ａ）がグリーンシートに電極及び低誘電部材を形成する工程、（ｂ）がグリーンシートを積層させる工程、（ｃ）が圧電アクチュエータと流路ユニットとを接合する工程を示している。 変形例１の図５相当の図である。 （ａ）が変形例１の図６（ａ）相当の図であり、（ｂ）が変形例１の図６（ｂ）相当の図である。 （ａ）が変形例２の図５相当の図であり、（ｂ）が変形例３の図５相当の図である。 （ａ）が変形例４の図５相当の図であり、（ｂ）が変形例５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、図３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４０と、圧電層４１〜４３と、下部電極４４、中間電極４５と、複数の上部電極４６と、低誘電部４７とを備えている。インク分離層４０は、ステンレスなどの金属材料などからなり、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４０は、圧力室１０内のインクが圧電層４１に接触してしまうのを防止するためのものである。

圧電層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。圧電層４１は、インク分離層４０と下部電極４４とを絶縁させるためのものである。なお、圧電層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、圧電層４１と同様の圧電材料からなり、圧電層４１の上面に配置されている。圧電層４３は、圧電層４１、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、圧電層４１と圧電層４２との間に配置されている。下部電極４４は、複数の対向部４４ａ、４つの導通部４４ｂ、接続部４４ｃ及び引出部４４ｄを有している。複数の対向部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対向部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対向部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つの対向部４４ａ以外の対向部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、これらの対向部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つの導通部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に対応する複数の対向部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つの導通部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図示しないＣＯＦ（Chip On Film）上に実装されたドライバＩＣに接続されている。下部電極４４は、ドライバＩＣにより常にグランド電位に保持されている。

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、複数の対向部４５ａ、４つの導通部４５ｂ、接続部４５ｃ及び引出部４５ｄを有している。複数の対向部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、対向部４４ａと対向部４５ａとは、搬送方向に間隔Ｌ１だけ離れて配置されており、複数の対向部４４ａと複数の対向部４５ａとは重なっていない。４つの導通部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つの導通部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、圧電アクチュエータ２２の上方に配置された図示しないＣＯＦ上に実装されたドライバＩＣに接続されている。これにより、中間電極４５は、ドライバＩＣにより、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の対向部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の対向部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、圧電アクチュエータ２２の上方に配置された図示しないＣＯＦ上に実装されたドライバＩＣに接続されている。これにより、複数の上部電極４６は、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が選択的に付与される。あるいは、上部電極４６は、例えば２Ｖなどグランド電位よりも少し高い電位、及び、例えば１８Ｖなど上記駆動電位よりも少し低い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。

また、電極４４〜４６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。

低誘電部４７は、例えば、アルミナ、酸化チタンなど、圧電層４１〜４３を構成する圧電材料よりも誘電率の小さい材料からなる。低誘電部４７は、圧電層４２の上面の、中間電極４５の対向部４５ａと重なる部分に配置され、対向部４５ａの全域にわたって延びている。そして、対向部４５ａは、低誘電部４７が形成された圧電層４２の上面に配置されている。また、低誘電部４７は、平面視で、走査方向の左側、及び、搬送方向の両側に対向部４５ａからはみ出している。そして、搬送方向における低誘電部４７からのはみ出し量Ｌ２は、上述の、搬送方向における対向部４４ａと対向部４５ａとの間隔Ｌ１よりも小さくなっている。

また、このような構造の圧電アクチュエータ２２の中立面は、圧電層４２の厚み方向における中央部よりも下方に位置している。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。

次に、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４０及び圧電層４１〜４３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４０及び圧電層４１〜４３の圧力室１０と重なる部分が全体として、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４０及び圧電層４１〜４３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、上述の通り、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ている。そのため、下部電極４４と中間電極４５との電位差により、圧電層４１〜４３の部分６３に電界が発生する。部分６３は、圧電層４２の対向部４４ａと対向部４５ａとの間に位置する部分と、圧電層４１及び圧電層４３の上記部分に連なる部分とを合わせたものである。また、部分６３には、第２活性部６２の一部分が含まれる。下部電極４４と中間電極４５との距離は、下部電極４４と上部電極４６との距離よりも小さい。そのため、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって部分６３に発生する電界は、上部電極４６を駆動電位にしたときに第２活性部６２に発生する電界よりも大きい。

このとき、本実施の形態とは異なり、低誘電部４７が設けられていないとすると、部分６３のうち、第２活性部６２を形成する部分にも、比較的大きな電界が発生することになる。そして、第２活性部６２の上記一部分は、この電界によって常に収縮した状態となる。そのため、上述したように上部電極４６の電位を切り換えて圧電アクチュエータ２２を駆動したときに、第２活性部６２の上記一部分は圧電層４２、４３の面方向に伸縮しない。すなわち、第２活性部６２の一部分は、駆動時と待機時とに関わらず常に、圧電層４２、４３の面方向に収縮したままとなる。その結果、駆動時に第２活性部６２全体が圧電層４２、４３の面方向に伸縮する場合と比較して、圧電アクチュエータ２２を駆動したときのインク分離層４０及び圧電層４１〜４３の変形量が小さくなってしまう虞がある。

これに対して、本実施の形態では、圧電層４２の上面の中間電極４５の対向部４５ａと重なる部分に、低誘電部４７が配置され、低誘電部４７が配置された圧電層４２の上面に対向部４５ａが配置されている。そのため、低誘電部４７が配置されていない場合と比較して、部分６３に発生する電界は、低誘電部４７によって形成される部分において大きくなり、それ以外の部分において小さくなる。これにより、低誘電部４７がない場合と比較して、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって、第２活性部６２に発生する電界を小さくすることができる。また、低誘電部４７が圧電材料である場合には、低誘電部４７に高い電界が発生することで、低誘電部４７が常に変形した状態となるが、低誘電部４７は、第１、第２活性部６１、６２に含まれる部分ではないため、低誘電部４７が常に変形した状態となっていても、圧電アクチュエータ２２の変形特性に影響を与えない。その結果、圧電アクチュエータ２２を駆動したときのインク分離層４０及び圧電層４１〜４３の変形量が大きくすることができる。

また、本実施の形態では、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって部分６３に電界が発生しているときの、対向部４４ａと対向部４５ａとの間の電気力線の大部分は、対向部４５ａの下方を通って対向部４４ａに至る。これに対して、本実施の形態では、圧電層４２の上面の中間電極４５の対向部４５ａと重なる部分に、低誘電部４７が配置され、低誘電部４７が配置された圧電層４２の上面に対向部４５ａが配置されている。すなわち、対向部４５ａの下方に低誘電部４７が配置されている。これにより、対向部４５ａの下方を通って対向部４４ａに至る電気力線は、低誘電部４７を通る。したがって、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって第２活性部６２に発生する電界を確実に小さくすることができる。

さらに、このとき、本実施の形態の場合には、低誘電部４７が対向部４５ａ全体と重なっているため、対向部４５ａの下方を通って対向部４４ａに至る電気力線が、必ず低誘電部４７を通る。したがって、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって第２活性部６２に発生する電界を確実に小さくすることができる。

次に、圧電アクチュエータ２２を備えた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、圧電層４１となる圧電材料のグリーシートの上面に下部電極４４を印刷する。また、圧電層４２となる圧電材料のグリーンシートの上面に低誘電部４７を形成する低誘電材料を印刷し、さらにその上に中間電極４５を印刷する。また、圧電層４３となる圧電材料のグリーシートの上面に上部電極４６を印刷する。

ここで、圧電層４２となるグリーンシートに、低誘電部４７及び中間電極４５を形成するときには、印刷の精度のばらつきなどにより、低誘電部４７と中間電極４５とが位置ずれすることがある。このとき、仮に、低誘電部４７と中間電極４５とが位置ずれして、対向部４５ａが低誘電部４７からはみ出してしまうと、対向部４５ａの低誘電部４７からはみ出した部分の下方を通って対向部４４ａに至る電気力線が低誘電部４７を通らないことになり、対向部４５ａが低誘電部４７からはみ出していない場合と比較して、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって第２活性部６２に発生する電界が大きくなってしまう虞がある。

これに対して、本実施の形態では、上述したように、低誘電部４７が走査方向及び搬送方向に中間電極４５の対向部４５ａからはみ出ているため、低誘電部４７と中間電極４５とが多少搬送方向に位置ずれしても、対向部４５ａが低誘電部４７からはみ出すことがない。

次に、図６（ｂ）に示すように、インク分離層４０と圧電層４１〜４３となる３つのグリーンシートを互いに積層させた上で焼成する。これにより、分極前の状態の圧電アクチュエータ２２が作製される。

ここで、圧電層４１〜４３となるグリーンシートを互いに積層させるときには、これらのグリーンシートが互いに位置ずれすることがある。そして、圧電層４１となるグリーンシートと圧電層４２となるグリーンシートとが、搬送方向に位置ずれした場合には、圧電層４１に形成された下部電極４４と、圧電層４２に形成された低誘電部４７とが位置ずれする。このとき、仮に、この位置ずれによって、低誘電部４７が対向部４４ａと重なってしまうと、上部電極４６を駆動電位にしたときに、低誘電部４７が対向部４４ａと重なっていない場合と比較して、上部電極４６と下部電極４４との電位差によって生じる電界が、低誘電部４７において大きくなり、第２活性部６２において小さくなる。その結果、低誘電部４７が対向部４４ａと重なっていない場合と比較して、第２活性部６２に発生する、圧電アクチュエータ２２を駆動するための電界が小さくなり、圧電アクチュエータ２２の駆動時の変形量が小さくなってしまう。

これに対して、本実施の形態では、上述したように、搬送方向における低誘電部４７の対向部４５ａからのはみ出し量Ｌ２が、搬送方向における対向部４４ａと対向部４５ａとの間隔Ｌ１よりも小さくなっている。したがって、圧電層４１、４２となるグリーンシートの位置ずれによって、下部電極４４と低誘電部４７とが搬送方向に多少位置ずれしても、低誘電部４７が対向部４４ａと重なることはない。

次に、図６（ｃ）に示すように、上記のようにして作成された圧電アクチュエータ２２と、予めプレート３１〜３４を積層させて作製した流路ユニット２１とを接着剤によって接合する。これにより、インクジェットヘッド３が作製される。なお、第１活性部６１及び第２活性部６２の分極は、図６（ｂ）の工程の後、図６（ｃ）の工程の前あるいは、図６（ｃ）の工程の後に行う。

なお、本実施の形態では、圧電層４２が本発明の第１圧電層に相当し、圧電層４３が本発明の第２圧電層に相当する。また、圧電層４１が本発明の絶縁層に相当する。そして、圧電層４１と圧電層４２、４３との積層体が、本発明の積層体に相当する。また、上部電極４６が本発明の駆動電極に相当し、中間電極４５が本発明の第１定電位電極に相当し、下部電極４４が本発明の第２定電位電極に相当する。また、対向部４５ａが本発明の第１対向部に相当し、導通部４５ｂが本発明の第１導通部に相当する。また、対向部４４ａが本発明の第２対向部に相当し、導通部４４ｂが本発明の第２導通部に相当する。また、駆動電位が本発明の第１電位に相当し、グランド電位が本発明の第２電位に相当する。

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、低誘電部４７が搬送方向において対向部４５ａからはみ出しており、搬送方向における低誘電部４７の対向部４５ａからのはみ出し量Ｌ２が、搬送方向における対向部４４ａと対向部４５ａとの間隔Ｌ１よりも小さくなっていたが、これには限られない。

例えば、搬送方向における、低誘電部４７の対向部４５ａからのはみ出し量Ｌ２は、搬送方向における対向部４４ａと対向部４５ａとの間隔Ｌ１と同じであってもよい。さらには、搬送方向における低誘電部４７の長さと対向部４５ａの長さとが同じであり、且つ、搬送方向における低誘電部４７の両端の位置と、搬送方向における対向部４５ａの両端の位置とが同じであるなど、低誘電部４７は、搬送方向に対向部４５ａからはみ出していなくてもよい。

上述の実施の形態では、低誘電部４７が、圧電層４２の上面に配置されていたがこれには限られない。

例えば、変形例１では、図７に示すように、低誘電部４７が、圧電層４１と圧電層４２との間に、対向部４５ａと重なるように配置されている。この場合でも、対向部４５ａの下方を通って対向部４４ａに至る電気力線の多くは、低誘電部４７を通るため、低誘電部４７がない場合と比較して、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって第２活性部６２に発生する電界を小さくすることができる。

変形例１の場合には、圧電アクチュエータ２２を作製するために、まず、図８（ａ）に示すように、圧電層４１となる圧電材料のグリーシートの上面に下部電極４４を印刷する。さらにその上に低誘電部４７を印刷する。また、圧電層４２となる圧電材料のグリーンシートの上面に中間電極４５を印刷する。また、圧電層４３となる圧電材料のグリーシートの上面に上部電極４６を印刷する。次に、図８（ｂ）に示すように、インク分離層４０と圧電層４１〜４３となる３つのグリーンシートを互いに積層させた上で焼成する。

このとき、上述したように、圧電層４１となるグリーシートと圧電層４２となるグリーンシートとが搬送方向に位置ずれすることがある。しかしながら、変形例１では、上述したように、下部電極４４と低誘電部４７の両方を圧電層４１となるグリーンシートに形成しているため、圧電層４１となるグリーシートと、圧電層４２となるグリーンシートとに位置ずれが生じても、下部電極４４と低誘電部４７とが位置ずれして、低誘電部４７が対向部４４ａと重なってしまうことはない。

また、上述の実施の形態では、低誘電部４７が対向部４５ａの全体と重なっていたが、これには限られない。低誘電部４７は、対向部４５ａの一部分のみと重なっていてもよい。この場合でも、対向部４５ａの下方を通って対向部４４ａに至る電気力線の一部は、低誘電部４７を通るため、低誘電部４７がない場合と比較して、下部電極４４と中間電極４５との間の電位差によって第２活性部６２に発生する電界を小さくすることができる。

また、低誘電部４７は、中間電極４５の対向部４５ａと重なるように配置されていることにも限られない。変形例２、３では、図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、低誘電部４７が、搬送方向における、圧電層４２の対向部４５ａと重なる部分と、第１圧電層４２の第２活性部６２を形成する部分との間に配置されている。また、変形例２では、低誘電部４７の高さが、圧電層４２の厚みとほぼ同じとなっている。一方、変形例３では、低誘電部４７の高さが、圧電層４２の厚みの半分程度となっている。

変形例２、３の場合にも、対向部４５ａの下方を通って対向部４４ａに至る電気力線の多くが低誘電部４７を通るので、誘電部４７がない場合と比較して、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって第２活性部６２に発生する電界を小さくすることができる。

なお、変形例２のような圧電アクチュエータ２２を製造するためには、例えば、まず、圧電層４１となる圧電材料のグリーシートの上面に下部電極４４を印刷する。また、圧電層４２となる圧電材料のグリーンシートの上面に中間電極４５を印刷する。圧電層４３となる圧電材料のグリーシートの上面に上部電極４６を印刷する。次に、インク分離層４０と、圧電層４１、４２となるグリーンシートとを積層させてから、圧電層４２となるグリーンシートの低誘電部４７が配置される部分にレーザ等によって貫通孔を形成し、この貫通孔に、インクジェット法などにより低誘電部４７を構成する材料を滴下する。次に、インク分離層４０と圧電層４１、４２となるグリーンシートとの積層体に、圧電層４３となるグリーンシートを積層させ、インク分離層４０と圧電層４１〜４３となるグリーンシートとの積層体を焼成する。

また、変形例３のような圧電アクチュエータ２２を製造するためには、例えば、まず、圧電層４１となる圧電材料のグリーシートの上面に下部電極４４及び低誘電部４７を印刷する。また、圧電層４２となる圧電材料のグリーンシートの上面に中間電極４５を印刷する。また、圧電層４３となる圧電材料のグリーシートの上面に上部電極４６を印刷する。次に、インク分離層４０と圧電層４１〜４３となる３つのグリーンシートを互いに積層させた上で焼成する。

また、低誘電部４７は、上記部分６３のうち、中間電極４５よりも上側の部分、あるいは、下部電極４４よりも下側の部分を含む部分に配置されていてもよい。

また、上述の実施の形態では、対向部４４ａと対向部４５ａとが搬送方向に互いに離れていたが、これには限られない。例えば、変形例４では、図１０（ａ）に示すように、搬送方向における対向部４４ａの端と、対向部４５ａの端とが上下に重なっている。また、変形例５では、図１０（ｂ）に示すように、下部電極４４が、圧電層４１と圧電層４２との間のほぼ全域にわたって延びており、下部電極４４が中間電極４５の対向部４５ａと重なっている。

なお、変形例５の場合には、第１活性部６１及び第２活性部６２の分極を行う際に、どうしても、圧電層４２の下部電極４４と対向部４５ａとに挟まれた部分が分極されてしまう。一方で、変形例５の場合には、下部電極４４と中間電極４５との電位差により、圧電層４２、４３の図１０（ｂ）に示す部分６４に電界が発生する。部分６４には、圧電層４２の下部電極４４と対向部４５ａとに挟まれた部分が含まれている。そのため、変形例５の場合には、低誘電部４７がないとすると、下部電極４４と中間電極４５との電位差によって部分６４に発生した電界により、圧電層４２の下部電極４４と対向部４５ａとに挟まれた部分も常に収縮した状態となる。したがって、上述の実施の形態の場合よりも、低誘電部４７がないとした場合に、圧電アクチュエータ２２を駆動したときのインク分離層４０及び圧電層４１〜４３の変形が大きく阻害される。したがって、変形例５のように、下部電極４４と対向部４５ａとが重なっている場合には、低誘電部４７を設けることにより、圧電アクチュエータ２２を駆動したときのインク分離層４０及び圧電層４１〜４３の変形量を大きく増大させることができる。

また、以上では、ノズルからインクを噴射するインクジェットヘッドを構成する圧電アクチュエータ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。インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドを構成する圧電アクチュエータや、液体噴射ヘッド以外の装置を構成する圧電アクチュエータに本発明を適用することも可能である。

２２ 圧電アクチュエータ
４１、４２、４３ 圧電層
４４ 下部電極
４５ 中間電極
４４ａ、４５ａ 重なり部
４４ｂ、４５ｂ 接続部
４６ 上部電極
４７ 低誘電部材
６１ 第１活性部
６２ 第２活性部
６３ 部分

Claims (10)

1. 第１圧電層と、前記第１圧電層と積層された第２圧電層とを含む積層体と、
   前記第２圧電層の前記第１圧電層と反対側の面に配置された駆動電極と、
   前記第１圧電層と前記第２圧電層との間に、前記駆動電極との間で前記第２圧電層を挟むように配置され、所定の第１電位に保持可能に構成された第１定電位電極と、
   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、前記第１定電位電極と重ならない部分を挟むように配置され、前記第１電位と異なる第２電位に保持可能に構成された第２定電位電極と、を備え、
   前記第２圧電層の前記駆動電極と前記第１定電位電極とに挟まれた部分は、前記第２圧電層の厚み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、第１活性部と反対向きに分極された第２活性部となっており、
   前記積層体の、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電界が発生する部分に、前記第１圧電層よりも誘電率が小さい低誘電部が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記低誘電部が、前記第１定電位電極の前記第２圧電層と反対側に、前記第１定電位電極と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. 前記低誘電部が、前記第１圧電層の前記第２圧電層側の面に配置され、
   前記第１定電位電極が、前記低誘電部が配置された前記第１圧電層の前記第２圧電層側の面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. 前記低誘電部は、前記第１活性部の全域と重なっ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. 複数の前記駆動電極が、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の面方向に沿った所定の第１方向に配列され、
   前記第１定電位電極は、
   前記第１方向に沿って配列され、複数の前記駆動電極と対向する複数の第１対向部と、
   前記第１方向に延びて、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の面方向と平行で且つ前記第１方向と直交する第２方向における、前記複数の第１対向部の片側の端部同士を導通させる第１導通部と、を備え、
   前記第２定電位電極は、
   前記第１方向に沿って配列され、複数の前記駆動電極と対向する複数の第２対向部と、
   前記第１方向に延びて、前記第２方向における前記複数の第２対向部の片側の端部同士を導通させる第２導通部と、を備え、
   前記低誘電部は、前記複数の第１対向部に対して個別に設けられ、各第１対向部の全域と重なっており、前記第１導通部とは重なっていない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. 前記第１定電位電極と前記第２定電位電極とが、前記第１圧電層及び前記第２圧電層の面方向と平行な所定の一方向に離れて配置され、
   前記一方向において、前記低誘電部が前記第１定電位電極からはみ出していることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記積層体が、前記第１圧電層の前記第２圧電層と反対側に積層された絶縁層をさらに含み、
   前記一方向における前記低誘電部の前記第１定電位電極からのはみ出し量が、前記一方向における前記第１定電位電極と前記第２定電位電極との間隔よりも短いことを特徴とする請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記積層体が、前記第１圧電層の前記第２圧電層と反対側に積層された絶縁層をさらに含み、
   前記低誘電部が、前記第１圧電層と前記絶縁層との間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。
9. 前記低誘電部が、第１圧電層の前記第１定電位電極と重なる部分と、前記第１圧電層の記第２活性部を形成する部分との間に設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
10. 前記低誘電部が、前記第１圧電層の厚み方向の全体にわたって延びていることを特徴とする請求項９に記載の圧電アクチュエータ。

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