JP3147964B2 - 積層形圧電変位素子ユニット及びインクジェット記録ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットプリン
ターの印字ヘッドなどに好適な積層形圧電変位素子ユニ
ット、及びこれを用いたインクジェット記録ヘッドに関
する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録ヘッドは、特公昭60
−8953号公報に見られるようにインク室を形成する壁面
に複数のノズル開口を形成し、また各インク室に対向さ
せて軸方向に変位する圧電変位素子を配設して構成され
ており、駆動信号を圧電変位素子に印加して圧電変位素
子を伸縮させることによりインク室のインクを加圧して
ノズル開口からインク滴を吐出させて印刷用紙にドツト
を形成するものである。

【０００３】このような形式のインクジェットヘッドに
あっては、インク滴を効率的に形成したり、またインク
滴の飛行速度を上げる上から圧電振動子には、変位量の
大きなものが望まれる。しかしながら、圧電変位素子
は、ノズル開口と同一のピッチでの配列を要求されるた
め、そのサイズが極めて小さく、単位電圧当りの変位量
が極めて小さい。このため、例えば特開昭63-295269号
公報に見られるように圧電材料中に内部電極とを挟み込
んで駆動電極と圧電材料層をサンドイッチ状に積層した
積層形圧電変位素子が提案されている。この積層形圧電
変位素子によれば電極間距離が小さいため、低い駆動電
圧で大きな変位を得ることができる。

【０００４】このような小形の積層形圧電変位素子を圧
力室に対向させて多数、正確に配置することが困難なた
め、例えば特開平3-264360号公報に見られるように、駆
動電極と圧電材料層をサンドイッチ状に積層した大判の
圧電板を、一端側を残すように他端側にスリットを形成
して複数の圧電変位素子に分離したユニットに構成する
ことが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電変
位素子の数が多くなり、全体のサイズが大きくなると、
切り残された領域の圧電板の強度では、組立て時のハン
ドリングには耐えることができず、特別な取り扱いを必
要とするという問題がある。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的とするところは、被駆動機器へ
の組み込みに耐える程度の強度を容易に確保することが
できる積層形圧電変位素子ユニットを提供することであ
る。また本発明の他の目的は、上記積層形圧電変位素子
ユニットを使用したインクジェット記録ヘッドを提供す
ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような問題を解消す
るために本発明の積層形圧電変位素子ユニットは、圧電
材料内にこれの変位方向に平行な電極面を有する内部電
極を備え、一方の極となる前記内部電極と他方の極とな
る前記内部電極とが前記変位方向に垂直な方向に積層さ
れ、かつ前記変位方向の一端側に前記一方の極と他方の
極との内部電極による電界の作用しない非振動領域が形
成された複数の圧電変位素子を、前記非振動領域を基台
に固定した積層形圧電変位素子ユニットにおいて、前記
圧電変位素子は、前記一方の極となる内部電極が振動領
域側の先端面よりも内側から後端面に露出するように一
枚構造として形成され、また前記他方の極となる内部電
極が前記基台との固定領域近傍から前記先端面に露出す
るように形成され、さらにダミー電極が前記基台との固
定領域の近傍で前記他方の極の内部電極と同一層で、か
つ前記他方の内部電極と間隙を開けて前記圧電変位素子
の後端面に露出するように形成され、さらに前記後端面
において前記一方の極の内部電極、及び前記ダミー電極
に接続された外部電極と、前記先端面で前記他方の極と
なる内部電極と接続し、かつ少なくとも前記固定領域の
近傍まで延長された外部電極が形成されている。

【０００８】

【作用】一方の極となる内部電極と、他方の極となる内
部電極とがほぼ全域に亙って均等に配置されているた
め、他方の極となる内部電極の不形成による厚みの変化
がなく、かつ一部の不形成領域を覆う外部電極により補
強されて基台に固定されていて、ハンドリングに充分な
強度を容易に確保でき、また非振動領域に形成された振
動には関与しない内部電極が、軸方向の変位に対しても
抗力を発現して、先端面からの反力を受け止め、被駆動
体に効率的に変位を与える。

【０００９】

【実施例】そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例
に基づいて説明する。図１は、本発明の積層形圧電変位
素子ユニットを構成する積層形圧電ブロックの一実施例
を示すものであって、図中符号１は、それぞれ一方の内
部電極を構成する導電層であり、符号２は、他方の内部
電極を構成する導電層で、各導電層１、２は互いに平行
となるように交互に圧電体３、例えばチタン酸・ジルコ
ン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミツクス内にサンドイ
ッチ状に配置されている。

【００１０】図中符号９０は、ダミー電極を構成する導
電層であり、圧電体３を変位させる電界を発生させるこ
とはなく、積層形圧電体を製造するときに、活性部６と
不活性部５との層数を同一となして、焼成時における反
りや、歪みの発生を防止する。導電層９０は、これと対
をなす、つまり同一面上に形成された内部電極となる導
電層２と若干の間隙ｇを形成するように配置されてい
る。

【００１１】導電層９０、及び一方の電極となる導電層
１と接続するように最外電極１０ａが形成され、また他
方の内部電極となる導電層２と接続するように他方の最
外電極１０ｂが表面に形成され、導電層１、２はそれぞ
れ並列に接続されている。

【００１２】最外電極１０ａ、１０ｂは、それぞれ正
極、負極となり、不活性部５は後述する基台８との固定
領域であり、その長さは固定条件によって決まる。活性
部６は電界が加わり実際に変位方向の端面７方向に変位
をする部位である。先端面側には不活性部５ａが形成さ
れていて、導電層１と最外電極１０ｂとの絶縁が確保さ
れている。

【００１３】また、最外電極１０ａと導電層２、または
最外電極１０ｂと導電層１は、活性部６の角部の最外層
４を挟むように形成さていて、最外層４が電界の作用を
受けて変位をするため、圧電材料の変位効率が向上する
ばかりでなく、この領域での剥がれが防止できる。る。

【００１４】ところで、図１に示した実施例において
は、積層数が奇数であるために、最外層４は最外電極１
０ａと導電層２もしくは最外電極１０ｂと導電層１に挟
まれるように構成した。しかし図２に示したように積層
数が偶数の場合には、活性部６で両側の最外層４が、最
外電極１０ｂと導電層２に挟まれるように構成すればよ
い。

【００１５】最外電極１０ａ、１０ｂは、金や銅などを
蒸着などにより形成すると、加工性を損なわない程度に
導通性を確保でき、圧電ブロックの切断加工時の欠けを
抑えて、高密度化のための薄い素子を切り出すことがで
きる。なお、最外電極１０ａ、１０ｂをメツキなどによ
り厚く形成すると、切断加工時に引きずられて欠けた
り、バリが出ることが多い。

【００１６】そして、圧電ブロックとの接合性を上げる
ために、まずニッケル・クロムを厚さ約0．125μｍ程度
蒸着し、その表面にシート抵抗が１Ω以下となるように
金を蒸着する。なお、銅を蒸着する場合には、下層にク
ロム層を形成するのが望ましい。金及び銅の層厚は、抵
抗値を下げるべく厚くすると、メッキによる厚膜形成時
と同様に加工時の欠けやバリが多くなるので、約0．5μ
ｍ位が適当である。

【００１７】次に、上述した積層形圧電変位素子ユニッ
トの製造方法を図３に基づいて説明する。積層形圧電変
位素子ブロック２０を、その不活性部５を、ブロック８
の振動領域と対向する領域に段差部８ａが形成された基
台８に接着する（図３（ａ））。

【００１８】こうして接合した積層形圧電変位素子ブロ
ック２０を所定の幅で切断する。これにより、基台８に
活性部６を自由端とするように一定間隔で配列された積
層形圧電変位素子列２１が形成される。そして、最外電
極１０ａには独立のリード部材３２を接続し、最外電極
１０ｂには共通のリード部材３１を接続する（図３
（ｂ））。

【００１９】なお、この図４（ａ）で独立のリード部材
３２は最外電極１０ａに直接接合されているが、基台８
に配線をしておき、積層形圧電変位素子ブロック２０と
基台８とを導電性接着剤で接合し、独立のリード部材３
２を基台８してもよい。また最外電極１０ｂを不活性部
５まで延長して、不活性部５でリード部材３１を接続す
ることにより、変位素子列２１の変位を阻害することな
く、リード部材３１を接続することができるばかりでな
く、他方の内部電極となる導電層２とダミー電極となる
導電層９０との間隙ｇの領域を補強することが可能とな
る。

【００２０】つぎに、このように構成した積層形圧電変
位ユニットの動作について説明する。図４（ａ）にしめ
したように充電のスイッチ６１をオンにすると、活性部
６の導電層１、２間、最外電極１０ａと導電層２の間、
最外電極１０ｂと導電層１１間にそれぞれに電界が加わ
り、活性部６の圧電体３だけが矢印５１の方向に縮む。
ついで、図４（ｂ）のように放電のスイッチ６２をオン
にすると、電極間の電界が解除され活性部６の圧電体３
は矢印５２の方向に伸び、電界を加える前の長さに戻
る。

【００２１】これに対して、図５に示したように最外層
端面に最外電極が構成されていないものにあっては、図
５（ａ）のように導電層７１、７２が平行になるように
交互に圧電体７３内にサンドイッチ状に配置されている
のは、同様である。しかし、最外電極８０（ａ）、８０
（ｂ）は最外層端面には構成されていない。

【００２２】このような積層形圧電変位素子に電圧を印
加すると、図５（ｂ）に示したように導電層７ １、７
２に挟まれた圧電体７３は、矢印９１の方向に縮むが、
最外層は電界が加わっていないので引きずられるだけで
変位形は歪んだ形となる。このように歪んだ変位をする
と、変位方向の端面７に、例えばバネ板材４５（図６）
を接着剤で固定している場合には、剥がれる方向に力が
作用したり、また歪みにより最外層と内部層との境目の
電極ではがれが生じたりする

【００２３】図６（ａ）、（ｂ）は、上述した積層形圧
電変位素子ユニットを用いたインクジェット記録ヘッド
の一実施例を示すものであって、基台８の先端が流路形
成部材に当接するようにして積層形圧電変位素子４１が
圧力室を形成するバネ板材４５に接着されている。

【００２４】図６（ｂ）は、図６（ａ）における面Ａで
切断し、Ｚ方向から見た駆動部の拡大図で、ドツトを形
成すべきノズルプレート４４ａに形成されたノズル開ロ
郁に対向する積層形圧電変位素子４１に電圧を印加する
と、積層圧電変位素子４１が弾性に富むバネ板材４５を
変形しながら伸長して、積層形圧電変位素子の対向面に
配置した隔壁４２と隔壁中のインク４３を押し出し、ノ
ズル開口部からインク滴が吐出する。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
圧電変位素子は、一方の極となる内部電極が振動領域側
の先端面よりも内側から後端面に露出するように一枚構
造として形成され、また他方の極となる内部電極が基台
との固定領域近傍から先端面に露出するように形成さ
れ、さらにダミー電極が基台との固定領域の近傍で他方
の極の内部電極と同一層で、かつ他方の内部電極と間隙
を開けて圧電変位素子の後端面に露出するように形成さ
れ、さらに後端面において一方の極の内部電極、及びダ
ミー電極に接続された外部電極と、先端面で他方の極と
なる内部電極と接続し、かつ少なくとも固定領域の近傍
まで延長された外部電極が形成されているので、一方の
極となる内部電極と、他方の極となる内部電極とがほぼ
全域に亙って均等に配置されていて他方の極となる内部
電極の不形成による厚みの変化がなく、かつ一部の不形
成領域を覆う外部電極により補強されて基台に固定され
ていて、ハンドリングに充分な強度が確保され、比較的
脆い圧電材料の剥がれを外部電極で防止でき、さらには
非振動領域に形成された振動には関与しない内部電極に
より先端面からの反力を受け止め、被駆動体に効率的に
変位を与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層形圧電変位素子ユニットを構成す
る圧電ブロックの一実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明の積層形圧電変位素子ユニットを構成す
る圧電ブロックの他の実施例を示す斜視図である。

【図３】図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ積層形圧電ブロ
ックの固定構造の一実施例を示す斜視図、及び（ｂ）
は、同上ブロックを切断して積層形圧電変位素子ユニッ
トに成した場合の斜視図である。

【図４】図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ同上積層形圧電
変位素子の動作を示す図である。

【図５】図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ最外層端面に電
極が構成されていない積層形圧電変位素子の一例、及び
これの変位形態を示す図である。

【図６】図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ同上ユニットを
インクジェット記録ヘッドへの適用例を示す図である。

【符号の説明】

１ 一方の内部電極を構成する導電層 ２ 他方の内部電極を構成する導電層 ３ 圧電体（ブロック） ４ 最外層 ５ 不活性部 ５ａ 不活性部 ６ 活性部 ８ 基台 １０ａ、１０ｂ 最外電極 ９０ ダミー電極を構成する導電層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金谷 宗秀 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コーエプソン株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/08

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電材料内にこれの変位方向に平行な電
   極面を有する内部電極を備え、一方の極となる前記内部
   電極と他方の極となる前記内部電極とが前記変位方向に
   垂直な方向に積層され、かつ前記変位方向の一端側に前
   記一方の極と他方の極との内部電極による電界の作用し
   ない非振動領域が形成された複数の圧電変位素子を、前
   記非振動領域を基台に固定した積層形圧電変位素子ユニ
   ットにおいて、 前記圧電変位素子は、前記一方の極となる内部電極が振
   動領域側の先端面よりも内側から後端面に露出するよう
   に一枚構造として形成され、また前記他方の極となる内
   部電極が前記基台との固定領域近傍から前記先端面に露
   出するように形成され、さらにダミー電極が前記基台と
   の固定領域の近傍で前記他方の極の内部電極と同一層
   で、かつ前記他方の内部電極と間隙を開けて前記圧電変
   位素子の後端面に露出するように形成され、 さらに前記後端面において前記一方の極の内部電極、及
   び前記ダミー電極に接続された外部電極と、前記先端面
   で前記他方の極となる内部電極と接続し、かつ少なくと
   も前記固定領域の近傍まで延長された外部電極が形成さ
   れている積層形圧電変位素子ユニット。
2. 【請求項２】 前記先端面で前記内部電極と接続する前
   記外部電極が共通の導電部材により接続され、また前記
   後端面で前記内部電極と接続する前記外部電極が独立の
   導電部材に接続されている請求項１に記載の積層形圧電
   変位素子ユニット。
3. 【請求項３】 ノズル開口に連通し、外部からの変位
   を受けてインク滴を前記ノズルから吐出する流路ユニッ
   トと、圧電材料内にこれの変位方向に平行な電極面を有する内
   部電極を備え、一方の極となる前記内部電極と他方の極
   となる前記内部電極とが前記変位方向に垂直な方向に積
   層され、かつ前記変位方向の一端側で前記一方の極と他
   方の極との内部電極による電界の作用しない非振動領域
   が形成された複数の圧電変位素子を前記非振動領域を基
   台に固定し、また前記 一方の極となる内部電極が振動領
   域側の先端面よりも内側から後端面に露出するように一
   枚構造として形成され、前記他方の極となる内部電極が
   基台との固定領域近傍から前記先端面に露出するように
   形成され、さらにダミー電極が前記基台との固定領域の
   近傍で前記他方の極となる内部電極と同一層で、かつ前
   記他方の内部電極と間隙を開けて前記圧電変位素子の後
   端面に露出するように形成され、さらに前記後端面で前
   記一方の極、及び前記ダミー電極に接続された外部電極
   と、前記先端面において前記他方の極となる内部電極と
   接続し、かつ少なくとも前記固定領域の近傍まで延長さ
   れた外部電極が形成されている積層形圧電変位素子と、 からなるインクジェット記録ヘッド。