JP3849780B2

JP3849780B2 - 圧電アクチュエータを備えた装置及びインクジェットプリンタヘッド

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Publication number: JP3849780B2
Application number: JP2003047546A
Authority: JP
Inventors: 正友小島
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: US20040164651A1; JP2004259865A; US7157837B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電層を積層して形成されるプレート型の圧電アクチュエータを備えた装置及びインクジェットプリンタヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電層を積層して形成されるプレート型の圧電アクチュエータとしては、先行技術のオンデマンド型のインクジェットプリンタヘッドにおいて、キャビティユニットのインク室に面して圧電アクチュエータを配置して、この圧電アクチュエータの伸縮変形により前記インク室の容積を小さくしてインクを噴射させるものが知られている。このような圧電アクチュエータとしては、例えば特許文献１に、セラミックス材料のシートからなる圧電層が多数積層され、圧電層の表面に形成された電極層に電圧を印加し、積層した圧電層を伸縮変形させるものが記載されている。
【０００３】
この特許文献１の圧電アクチュエータでは、全部で９層の圧電層が積層されており、そのうちキャビティユニット側（下側）の６層には、キャビティユニットの各インク室毎に対応して設けられる陽極パターンの電極層と、キャビティユニットの各インク室に共通に設けられる陰極パターンの電極層とが、圧電層の間に交互に配置され、両電極に挟まれた圧電層の領域が分極処理されて活性部とされている。すなわち、各インク室毎に対応してその上方に活性部が形成されるように、インク室の数と同数の活性部を含む活性層がキャビティユニットに積層されている。
【０００４】
一方、残りの３層の圧電層は伸縮変形しない拘束層として前記活性層に積層されている。前記活性部の上方に積層された拘束層の領域が、活性部の上方への伸縮変形を規制する拘束部となって、前記各活性部の伸縮変形を下方のキャビティユニット側に効率よく発生するように作用する。
【０００５】
このように特許文献１では、所望のインク室に対応する電極に電圧を印加することで、これら電極に挟まれた圧電層を当該インク室側へ効率よく伸縮変形させ、これによりインク室の容積を縮小させてインクを噴射させている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１６２７９６号公報（図１参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電層は誘電体であるセラミックス等を材料とするため、この圧電層を挟んで対向する電極間に電位差が生じると、圧電層に静電容量が発生する。特に上述したような圧電アクチュエータでは、インクの噴射に必要な所定の変位量を得るために、電極に挟まれた圧電層が複数積層されなければならないので、全体としての静電容量も大きくなる。圧電アクチュエータの消費電力は、「消費電力∝（静電容量）×（圧電アクチュエータの駆動電圧）^２」で表されるので、静電容量が大きくなるとそれに比例して消費電力も大きくなる。消費電力の増大は、インクジェットプリンタの電源装置のコストアップに繋がるため、圧電アクチュエータの静電容量の低減が求められている。
【０００８】
一方、静電容量は「静電容量＝（誘電率）×（電極面積）／（電極間隔）」で表されるため、電極間隔を広げたり電極面積を小さくしたりすると、静電容量を低減できることがわかっている。しかしながら、単に電極間隔を広げたり電極面積を小さくすると、圧電アクチュエータの変位量が低下し、その低下はインク室の容積の変化を少なくするのでインクの噴射速度に大きく影響する。そのため、圧電アクチュエータでインクの噴射に必要な所定の変位量を確保しながら、いかに静電容量を低減させることができるかが課題であった。
【０００９】
本発明は、このような課題を解消した圧電アクチュエータを備えた装置及びインクジェットプリンタヘッドを提供することを課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明における圧電アクチュエータを備えた装置は、圧電アクチュエータを伸縮させてその伸縮を利用する部材を備えた装置において、前記圧電アクチュエータは、圧電材料からなる複数の圧電層と複数の電極層とが前記伸縮方向に交互に積層され、積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより前記積層方向に圧電縦効果により伸縮する活性部として形成され、この活性部を構成する複数の圧電層のうち、前記伸縮を利用する部材から遠い側の圧電層は、前記伸縮を利用する部材に近い側の圧電層よりも層の厚みを厚くしたものである。
【００１１】
そして、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧電アクチュエータを備えた装置において、前記圧電アクチュエータは、前記層の厚い圧電層よりもさらに前記伸縮を利用する部材から遠い側に、前記活性部が前記伸縮を利用する部材とは反対方向に変形するのを抑える拘束層を備えるものである。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータを備えた装置において、前記活性部の圧電層は、圧電材料からなる圧電シートにより形成され、前記層の厚い圧電層は、他の圧電層よりも１層あたりの圧電シートの積層枚数が多いことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えた装置において、前記活性部の圧電層は、圧電材料からなる圧電シートにより形成され、前記層の厚い圧電層の圧電シートは、他の圧電層の圧電シートよりもシートの膜厚が厚いことを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、複数個のインク室を配列して有するキャビティユニットに、圧電アクチュエータを接合し、その圧電アクチュエータに伸縮により前記インク室の容積を変えて前記インク室内のインクを噴射するインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、前記複数個のインク室にわたる大きさを有する圧電材料からなる複数の圧電層と複数の電極層とが前記複数個のインク室と平行に交互に積層され、前記インク室に対向する位置でかつ積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより前記積層方向に圧電縦効果により伸縮する活性部として形成され、この活性部を構成する複数の圧電層のうち、前記インク室から遠い側の圧電層は、前記インク室に近い側の圧電層よりも層の厚みを厚くしたものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、前記層の厚い圧電層よりもさらに前記インク室から遠い側に、前記活性部が前記インク室とは反対方向に変形するのを抑える拘束層を備えるものである。
請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記活性部を挟む電極層のうち一方は前記各インク室毎に設けられるとともに電極層の他方は前記各インク室に共通して設けられているものである。
請求項８に記載の発明は、請求項５から７のいずれかに記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記活性部の圧電層は、圧電材料からなる圧電シートにより形成され、前記層の厚い圧電層は、他の圧電層よりも１層あたりの圧電シートの積層枚数が多いものである。
請求項９に記載の発明は、請求項５から７のいずれかに記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記活性部の圧電層は、圧電材料からなる圧電シートにより形成され、前記層の厚い圧電層の圧電シートは、他の圧電層の圧電シートよりもシートの膜厚が厚いものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態による圧電式インクジェットプリンタヘッドを示す分解斜視図、図２はキャビティユニットと圧電アクチュエータとの一端部を示す拡大斜視図、図３はキャビティユニットの分解斜視図、図４はキャビティユニットの部分的拡大斜視図、図５は圧電アクチュエータの分解斜視図、図６は圧電アクチュエータの部分的拡大斜視図、図７は実施の形態の圧電アクチュエータの部分的縦断面図、図８〜図１０は他の実施の形態の圧電アクチュエータの部分的縦断面図である。
【００１６】
図１において、金属板のキャビティユニット１０に対して接合されるプレート型の圧電アクチュエータ２０の上面には、外部機器との接続のために、フレキシブルフラットケーブル４０が重ね接合されているものであり、最下層のキャビティユニット１０の下面側に開口されたノズルから下向きにインクを噴射する。
【００１７】
前記キャビティユニット１０は、図３及び図４に示すように構成されている。すなわち、ノズルプレート１１、２枚のマニホールドプレート１２、スペーサプレート１３及びベースプレート１４の５枚の薄い板をそれぞれ積層した構造としている。
【００１８】
実施形態では、合成樹脂製のノズルプレート１１を除き、各プレート１２、１３、１４は、４２％ニッケル合金鋼板製で、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さを有する。前記ノズルプレート１１には、微小径（実施形態では２５μｍ程度）のインク噴射用のノズル１５が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル１５は、当該ノズルプレート１１における第１の方向（長辺方向）に沿って千鳥配列で２列に配列されている。
【００１９】
前記２枚のマニホールドプレート１２には、図３及び図４に示すように、インク通路１２ａ、１２ｂが、前記ノズル１５の列の両側で、当該マニホールドプレート１２の長辺に略沿って延びるように穿設されている。但し、下側のマニホールドプレート１２におけるインク通路１２ｂは、当該マニホールドプレート１２の上側にのみ開放するように凹み形成されている。このインク通路１２ａ、１２ｂは、この両マニホールドプレート１２に対する前記スペーサプレート１３の積層により密閉される構造になっている。
【００２０】
また、図３及び図４に示すように、前記ベースプレート１４には、複数のインク室１６がベースプレート１４の長辺（前記第１の方向）に沿って千鳥配列で２列に穿設されている。そして、各インク室１６は、その長手方向がベースプレート１５の長手方向と直交するようにして細幅に形成されている。
【００２１】
各インク室１６における先端部１６ａはベースプレート１４の短辺方向の略中央部に位置しており、この各先端部１６ａは、スペーサプレート１３、２枚のマニホールドプレート１２に同じく千鳥配列にて穿設されているインク流路としての微小径の貫通孔１７を介してノズルプレート１１における前記千鳥配列のノズル１５に連通している。
【００２２】
一方、前記各インク室１６の他端１６ｂは、前記スペーサプレート１３における左右両側部位に穿設された貫通孔１８を介して、前記両マニホールドプレート１２におけるインク通路１２ａ、１２ｂに連通している。なお、前記他端１６ｂは、図２及び図４に示すように下側に開口するように凹み形成されているものである。また、最上層のベースプレート１４の一端部に穿設された供給孔１９ａ（図３参照）の上面には、その上方のインクタンクから供給されるインク中の塵除去のためのフィルタ２９が張設されている。
【００２３】
これにより、前記ベースプレート１４及びスペーサプレート１３の一端部に穿設の供給孔１９ａ、１９ｂから前記インク通路１２ａ、１２ｂ内に流入したインクは、このインク通路１２ａから前記各貫通孔１８を通って前記各インク室内に分配されたのち、この各インク室内から前記貫通孔１７を通って、当該インク室に対応するノズル１５に至るという構成になっている。
【００２４】
前記圧電アクチュエータ２０では、複数の圧電層と電極層とが交互に積層されており、圧電層は圧電セラミックスを材料とする圧電シートにより形成されている。圧電アクチュエータ２０は、図５及び図７に示すように、１０枚の圧電シート２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、２１ｉ及び２１ｊを積層した構造としており、１０枚の圧電シートには全て同じ厚みのシートが使用されている。また、電極層は圧電シートの上面（広幅面）に金属膜の電極パターンとして形成されている。
【００２５】
これら１０枚の圧電シートのうち、キャビティユニット１０（これを下側とする）の２枚目から８枚目の圧電シートは、各インク室１６毎に対応して伸縮変形可能に設けられた活性部が含まれる活性層５０を構成し、下側から９枚目と１０枚目の圧電シートは、前記活性部の上側への伸縮変形を規制する拘束部が含まれる拘束層５１を構成している。
【００２６】
圧電シート２１のうち下側から数えて、２枚目の圧電シート２１ｂと、４枚目の圧電シート２１ｄと、６枚目の圧電シート２１ｆの各上面に、電極パターンとして、前記キャビティユニット１０における各インク室の箇所ごとに細幅の個別電極２４を形成している。この個別電極２４は、第１の方向（長辺方向）に沿って列状に形成され、各個別電極２４は前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って各圧電シートの長辺の端縁部近傍まで延びている。
【００２７】
また、前記各圧電シートのうち下から数えて、１枚目の圧電シート２１ａと、３枚目の圧電シート２１ｃと、５枚目の圧電シート２１ｅと、８枚目の圧電シート２１ｈの各上面には、電極パターンとして、複数個のインク室に対して共通のコモン電極２５をそれぞれ形成している。
【００２８】
実施形態においては、図５及び図６に示されているように、前記各個別電極２４の幅寸法は対応するインク室１６の幅寸法よりも少し狭い程度に設定されている。他方、前記コモン電極２５は、インク室１６が前記のベースプレート１４の短辺の中央部側で前記第１の方向（長辺）に沿って２列状に配置されているので、その２列のインク室１６を一体的に覆うように圧電シート２１ａ、２１ｃ、２１ｅ、２１ｈの短辺方向の中央において長辺に沿って延びる平面視矩形状に形成される。そしてこのコモン電極２５とともに、これら圧電シート２１ａ、２１ｃ、２１ｅ、２１ｈの対の短辺の端縁部近傍では、当該端縁部の略全長にわたって延びる引出し部２５ａ、２５ａが一体的に形成されている。また、圧電シート２１ａ、２１ｃ、２１ｅ、２１ｈの対の長辺の端縁部近傍の上面であって、前記コモン電極２５が形成されていない箇所には、前記各個別電極２４と同じ上下位置（対応する位置）に当該個別電極２４と略同じ幅寸法で長さの短いダミー個別電極２６を形成している。
【００２９】
また、圧電シート２１ｂ、２１ｄ、２１ｆの上面のうち、前記引き出し部２５ａ、２５ａに対応する位置（同じ上下位置、圧電シートの対の短辺の端縁部近傍）には、ダミーコモン電極２７を形成している。
【００３０】
そして、圧電シート２１ｆと圧電シート２１ｈの間には、個別電極及びコモン電極が設けられていない圧電シート２１ｇが１枚含まれている。圧電シート２１ｆの上面に形成された個別電極と圧電シート２１ｈの上面に形成されたコモン電極との間の圧電層の厚みは、圧電シート２枚分となる。
【００３１】
圧電シート２１ｇには、下層の圧電シート２１ｆの個別電極２４及びダミーコモン電極２７と、上層の圧電シート２１ｈのダミー個別電極２６及び引出し部２５ａとを後述するスルーホール内の導電材で接続するために、ダミー個別電極２６及びダミーコモン電極２７を他の層と同様に設けている。
【００３２】
上記のように、個別電極２４とコモン電極２５とに挟まれている圧電層では、後述するスルーホール内の導電材をとおして公知のようにコモン電極２５を接地し、全個別電極２４に分極用の正の高電圧を印加すると、電極間に挟まれた各層の圧電シートの領域が個別電極２４からコモン電極２５に向かう方向に分極処理され、活性部となる。つまり、下から２枚目から８番目の圧電シートは活性層５０を構成する。そして、公知のようにコモン電極２５を接地し、個別電極２４に選択的に駆動用の正の低電圧を印加すると、活性部が、圧電縦効果により伸張変形する。なお、活性部の中の最上層となる圧電層だけが、その他の圧電層の２倍の厚みを有する厚い圧電層２２（図７）となっている。
【００３３】
拘束層５１は、インク室１６とは反対方向への活性部の変形を抑えるためのもので、拘束層５１を構成する圧電シート２１ｉ、２１ｊのうち、最上層の圧電シート２１ｊの上面には、その長辺の端縁部に沿って、個別電極２４の各々に対応する表面電極３０と、コモン電極２５に対応する表面電極３１とを設けている。その下の圧電シート２１ｉには、そのさらに下層の圧電シート２１ｈのダミー個別電極２６及び引出し部２５ａと、最上層の圧電シート２１ｊの表面電極３０、３１とを後述するスルーホール内の導電材で接続するためにダミー個別電極２６及び引出し部２５ａを設け、またその引出し部２５ａに連接してコモン電極２５を設けている。拘束層５１の２つ圧電シート２１ｉ、２１ｊは、コモン電極２５と個別電極２４とに挟まれないので、上記のように圧電アクチュエータに分極用の電圧を印加しても分極処理されないし、駆動電圧を印加しても変形しない。２番目の圧電シート２１ｉには、本来電極パターンを形成する必要がないが、コモン電極２５を形成しているのは、圧電シートだけの層と、圧電シートの表面に電極が形成された層とでは、焼成時の収縮率が異なって、圧電アクチュエータ全体の反りやうねりを発生させるので、これを低減させるためにあえて圧電シート２１ｉにも電極を形成している。また、この圧電シート２１ｉの電極は、この電極と対向する電極との間で電位差が生じると静電容量を発生してしまうため、駆動に影響しないように、圧電シート２１ｈと同じ電極パターンが形成されている。
【００３４】
さらに、前記最下段の圧電シート２１ａを除き、他の全ての圧電シート２１ｂ〜２１ｊには、前記各表面電極３０と、それに対応する位置（同じ上下位置）の個別電極２４並びにダミー個別電極２６とが互いに連通するように、スルーホール３２を穿設する。同様に、前記少なくとも１つの表面電極３１（実施形態では、最上段の圧電シート２１ｊの４隅の位置の表面電極３１）と、それに対応する位置（同じ上下位置）のコモン電極２５の引出し部２５ａ並びにダミーコモン電極２７とが互いに連通するように、スルーホール３３を穿設している。そして、スルーホール３２、３３内に充填された導電性材料を介して、各層の個別電極２４どうし及びそれと対応する位置の表面電極３０とが電気的に接続されるように構成し、同じく各層のコモン電極２５どうし及びそれと対応する位置の表面電極３１とが電気的に接続されるように構成するものである。
【００３５】
製造上においては、各圧電シートを構成するセラミックスのグリーンシートに、スルーホールを穿設し、そのグリーンシートに各電極パターンをスクリーン印刷等で形成すると同時にスルーホールに電極パターンを構成する導電材を充填する。そして、それらのグリ−ンシートを、下層の電極パターンまたはダミー電極と上層のスルーホールとが重なるように積層し、公知のように焼成して、圧電アクチュエータ２０をつくる。
【００３６】
そして、このような構成のプレート型の圧電アクチュエータ２０は、前記キャビティユニット１０に対して、当該圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４が前記キャビティユニット１０における各インク室１６の各々に対応するように固定される（図１及び図２参照）。また、この圧電アクチュエータ２０における上側の表面には、前記フレキシブルフラットケーブル４０が重ね押圧されることにより、このフレキシブルフラットケーブル４０における各種の配線パターン（図示せず）が、前記各表面電極３０、３１に電気的に接合される。
【００３７】
この構成において、前記圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４と、コモン電極２５のうち、任意の活性部の個別電極２４とコモン電極２５との間に電圧を印加することにより、圧電シート２１ａ〜２１ｈのうち前記電圧を印加した個別電極２４とコモン電極２５とに挟まれた圧電層に積層方向の歪みが発生する。そして、この歪みによる伸縮変形のうち上側への伸縮変形は拘束部によって規制されるため、その変位量が前記各個別電極２４に対応するインク室１６側に大きく発生し、当該インク室１６の内容積が縮小されてインクがノズル１５から液滴状に噴出して、所定の印字が行われる。
【００３８】
前記圧電アクチュエータ２０の構成においては、図７に示すように電極パターンが形成されていない圧電シート２１ｇが活性層５０に含まれて活性部の最上層に厚みの厚い圧電層２２を作り出す。従って、この厚い圧電層２２を挟んで対向する圧電シート２１ｆの上面の電極と圧電シート２１ｈの上面の電極との距離は、その他の圧電層を挟んで対向する電極間の距離の２倍になっているから、前述した式の「静電容量＝（誘電率）×（電極面積）／（電極間隔）」からわかるように、厚みの厚い圧電層２２の静電容量を１／２に低減させることができる。これにより、圧電アクチュエータ２０全体の静電容量を低減させて、その結果、圧電アクチュエータ２０の駆動電力を低減させることができる。
【００３９】
そして、この厚みの厚い圧電層２２は、インク室１６から最も遠い活性部の最上層（拘束部に面する層）に設けられているため、電極間隔が広がっても、活性部全体がインク室に与える変位の量にはほとんど影響せず、変位量を従来どおり確保したまま静電容量を低減することができる。
【００４０】
厚みの厚い圧電層２２を含む実施の形態としては、上述の他に、厚みが他の圧電シートよりも厚い圧電シートを利用して構成してもよい。例えば、図８に示す圧電アクチュエータ２０ａでは、前記圧電シート２１ｇ、２１ｈに替えて、他の圧電シートより厚い（例えば２倍）圧電シート２１ｋを積層し、１枚の圧電シートで厚みの厚い圧電層２２ａを形成している。この圧電シート２１ｋの上面には、前記圧電シート２１ｈと同様の電極パターンを設けており、圧電シート２１ｆの上面の電極と圧電シート２１ｋの上面の電極との距離が、他の圧電層を挟む電極間の距離より広いことになる。これにより、この実施の形態でも圧電アクチュエータ２０ａ全体の静電容量を低減させることができる。このように厚みの異なる圧電シートを利用する場合には、厚みの厚い圧電層の厚さ寸法を、所望の厚さに設定した圧電シートによって、自由に設計することが可能となる。
【００４１】
また他の実施の形態として、電極を備えていない圧電シートを数枚重ねて挟み込んで、その他の圧電層の数倍の厚みを有する圧電層を形成してもよい。例えば図９に示す圧電アクチュエータ２０ｂでは、図７と同様に全て同じ厚みの圧電シートが使用されているが、前記圧電シート２１ｋと同様の電極パターンが形成された圧電シート２１ｍと、前記圧電シート２１ｆとの間に、電極パターンが形成されていない圧電シート２１ｇ、２１ｌが２枚重ねて挟み込まれている。その結果、圧電シート２１ｆの上面の電極と圧電シート２１ｍの上面の電極との間には、その他の圧電層の３倍の厚みを有する圧電層２０ｂが形成される。これによりこの実施の形態でも圧電アクチュエータ２０ｂ全体の静電容量を低減させることができる。なお、図９に示す圧電アクチュエータ２０ｂでは、拘束層５１ｂは圧電シート２１ｊのみで構成されている。このように、厚みの厚い圧電層を、圧電シートの積層枚数を変えて形成することにより、あらかじめ用意する圧電シートは１種類でよく、製造時の手間が簡易化される。
【００４２】
さらに他の実施の形態として、全て同じ厚みの圧電シートを用いて、厚みの厚い圧電層を複数層形成してもよい。例えば図１０に示す圧電アクチュエータ２０ｃでは、前記圧電シート２１ａ〜２１ｅの上に、電極を備えていない圧電シート２１ｇを積層しその上に、前記圧電シート２１ｆと同様の電極パターンが形成された圧電シート２１ｎを積層して、厚みの厚い圧電層２２ｃを形成している。そして、さらにその上に、電極を備えていない圧電シート２１ｏを積層しその上に、前記圧電シート２１ｈと同様の電極パターンが形成された圧電シート２１ｐを積層して、厚みの厚い圧電層２２ｄを形成している。すなわち厚みの厚い圧電層が２層重ねて積層されている。これにより、この実施の形態でも圧電アクチュエータ２０ｃ全体の静電容量を低減させることができる。なお、図１０に示す圧電アクチュエータ２０ｃでは、拘束層５１ｃは圧電シート２１ｊのみで構成されている。
【００４３】
上述したように本発明にはさまざまな形態があるが、その他に、活性部の中の厚みの厚い圧電層２２の層数やその各厚さ寸法、またその配置を変更してもよく、さらに活性部を構成する全体の圧電層の層数や、拘束層５１の構成等も適宜変更できる。ただし、この厚みの厚い圧電層２２をインク室１６に直接面する層として配置すると、インク室１６に与える変位量を減少させる場合があるため、厚みの厚い圧電層２２はインク室１６に面しない層、すなわち活性部の上方に位置する層として設けることが望ましい。
【００４４】
なお、本発明は、電極層の積層順序を変えて、個別電極２４を有する圧電シートの層が最下層としてキャビティユニット１０におけるインク室１６と対面するようにしたものに適用できることは言うまでもない。また、前記スルーホールに替えて圧電アクチュエータの積層体の側面（表面電極３０、３１が形成される広幅面と直交する側面）に側面電極を形成し、表面電極３０が前記側面電極を介して複数層の前記個別電極２４並びにダミー個別電極２６を電気的に接続する一方、表面電極３１は別の箇所の側面電極を介して複数層の前記コモン電極２５並びにダミーコモン電極２７を電気的に接続させるよう構成したものに適用してもよい。その場合、前記圧電アクチュエータの表裏両表面と直交する側面に、少なくとも前記駆動電極（コモン電極、個別電極等）を露出する凹み溝が設けられ、この凹み溝内に前記駆動電極に電気的に導通する側面電極が形成されたものであってもよい。
【００４５】
また、本発明の圧電アクチュエータ２０は、インクジェットプリンタヘッドだけでなく、他の装置にも適用できることは言うまでもない。
【００４６】
【実施例】
次に、実施例１〜３を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。そして、図１１に示すような厚みの厚い圧電層を含まない従来の形態を比較例１として、実施例１〜３と比較する。
【００４７】
実施例１は図７に示す形態を具体化したもので、この活性層５０では７枚の圧電シートが積層されている。そして、活性部では電極層に上下を挟まれた圧電層が６層形成されており、活性部の最上層に厚みの厚い圧電層２２が１層含まれている。圧電シートには３０μｍ厚のものを使用しているため、通常の圧電層の厚さ寸法は３０μｍ、厚みの厚い圧電層２２の厚さ寸法は圧電シート２枚分で６０μｍとなっている。
【００４８】
実施例２は図９に示す形態を具体化したもので、この活性層５０ｂでは８枚の圧電シートが積層されている。そして活性部では電極層に上下を挟まれた圧電層が６層形成されており、活性部の最上層に厚みの厚い圧電層２２ｂが１層含まれている。圧電シートには３０μｍ厚のものを使用しているため、通常の圧電層の厚さ寸法は３０μｍ、厚みの厚い圧電層２２ｂの厚さ寸法は圧電シート３枚分で９０μｍとなっている。
【００４９】
実施例３は図１０に示す形態を具体化したもので、この活性層５０ｃでは８枚の圧電シートが積層されている。そして活性部では電極層に上下を挟まれた圧電層が６層形成されており、活性部の最上層側に厚みの厚い圧電層２２ｃ、２２ｄが２層重ねて設けられている。圧電シートには３０μｍ厚のものを使用しているため、通常の圧電層の厚さ寸法は３０μｍ、厚みの厚い圧電層２２ｃ、２２ｄの厚さ寸法はそれぞれ圧電シート２枚分で６０μｍとなっている。
【００５０】
比較例１となる図１１に示す形態では、同じ厚みの１０枚の圧電シートが積層されており、そのうちキャビティユニット１０側（下側）の２枚目から７枚目（圧電シート２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｑ）までが活性層５０ｅを、８枚目から１０枚目（圧電シート２１ｒ、２１ｉ、２１ｊ）が拘束層５１ｅを構成している。活性層５０ｅでは、２枚目の圧電シート２１ｂと、４枚目の圧電シート２１ｄ、６枚目の圧電シート２１ｆの上面に、図７の個別電極２４が含まれる電極層と同じパターンが形成され、１枚目の圧電シート２１ａ、３枚目の圧電シート２１ｃ、５枚目の圧電シート２１ｅ、７枚目の圧電シート２１ｑには、図７のコモン電極２５が含まる電極層と同じパターンが形成されている。一方、拘束層５１ｅでは、最上層の圧電シート２１ｊには表面電極（図１１では示していない）が形成され、８枚目の圧電シート２１ｒと９枚目の圧電シート２１ｉには前記圧電シート２１ｑと同じ電極パターンが形成され、駆動には影響しないように電気的に接地している。
【００５１】
そして、比較例１の活性層５０ｅでは６枚の圧電シートが積層されて、活性部では電極層に上下を挟まれた圧電層が６層形成されている。圧電シートには３０μｍ厚のものを使用しているため、圧電層の厚さ寸法は全て同じで３０μｍとなっている。
【００５２】
なお、実施例１〜３及び比較例１では、各個別電極の面積、個数及び配列ピッチ、活性部の長さ、及び圧電層の誘電率は全て同じである。
【００５３】
これら実施の形態１〜３及び比較例１を解析して得られた圧電アクチュエータ全体に発生する静電容量と、圧電アクチュエータに生じる伸縮変形の最大変位量と、圧電アクチュエータによって変形させられたインク室の断面積変化を（表１）に示す。
【００５４】
【表１】

【００５５】
この解析の結果によれば、本発明の実施例１〜３の圧電アクチュエータの静電容量は、比較例１の値に比べていずれも減少していた。これにより、本発明のように電極層に挟まれた圧電層を積層した中で、少なくとも１層はその厚みを厚くすることにより、圧電アクチュエータ全体の静電容量を減少させる効果が得られることが確認できた。
【００５６】
また、実施例１及び２では、静電容量が減少しているにもかかわらず、圧電アクチュエータ２０の最大変位量とインク室の断面積変化は比較例１と略同じであった。この結果から、実施例１及び２の構成では、静電容量の低減をインク室の断面積変化を減少させることなくできることが確認できた。
【００５７】
さらに、実施例３では、圧電アクチュエータ２０の最大変位量とインク室の断面積変化のいずれもが比較例１より減少してしまった。しかし、静電容量が比較例１の１２００ｐＦに比べて１０００ｐＦとなり、約１７％減少しているのに対して、インク室の断面積変化は比較例１の２．３３×１０−６ｍｍ^２に比べて２．２０×１０−６ｍｍ^２となり、約６％しか減少していなかった。この結果から、実施例３の構成では、インク室の断面積変化が減少するものの、それ以上に静電容量を低下させる効果が効率よく得られることが確認できた。
【００５８】
【発明の作用・効果】
以上に説明してきたように、請求項１に記載の発明における圧電アクチュエータを備えた装置は、圧電アクチュエータを伸縮させてその伸縮を利用する部材を備えた装置において、前記圧電アクチュエータは、圧電材料からなる複数の圧電層と複数の電極層とが前記伸縮方向に交互に積層され、積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより前記積層方向に圧電縦効果により伸縮する活性部として形成され、この活性部を構成する複数の圧電層のうち、前記伸縮を利用する部材から遠い側の圧電層は、前記伸縮を利用する部材に近い側の圧電層よりも層の厚みを厚くしたものである。
これによれば、厚みの厚い圧電層では、この圧電層を挟んで対向する電極間の距離が他の圧電層を挟む電極間の距離より長くなるため、厚みの厚い圧電層の静電容量が低減される。これにより圧電アクチュエータの全体の静電容量を低減させて、さらには圧電アクチュエータの駆動電力を低減させることができる。そして、この厚みの厚い圧電層は、前記伸縮を利用する部材から遠い側に配置されるので、活性部全体の伸縮変位の量を減らすことへの影響は極めて小さい。
【００５９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の圧電アクチュエータを備えた装置において、前記圧電アクチュエータは、前記層の厚い圧電層よりもさらに前記伸縮を利用する部材から遠い側に、拘束層を備え、前記活性部が前記伸縮を利用する部材とは反対方向に変形するのを抑える。
【００６０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータを備えた装置において、前記活性部の圧電層は、圧電材料からなる圧電シートにより形成され、前記層の厚い圧電層は、他の圧電層よりも１層あたりの圧電シートの積層枚数が多いことを特徴とするものであるから、圧電アクチュエータの製造において、圧電シートの積層枚数を変えるだけで、容易に圧電層の厚みを変えることができる。
【００６１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えた装置において、前記活性部の圧電層は、圧電材料からなる圧電シートにより形成され、前記層の厚い圧電層の圧電シートは、他の圧電層の圧電シートよりもシートの膜厚が厚いことを特徴とするものであるから、圧電アクチュエータの製造において、厚みの厚い圧電層を所望の厚みで設定することができる。
【００６２】
請求項５に記載の発明は、複数個のインク室を配列して有するキャビティユニットに、圧電アクチュエータを接合し、その圧電アクチュエータに伸縮により前記インク室の容積を変えて前記インク室内のインクを噴射するインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、前記複数個のインク室にわたる大きさを有する圧電材料からなる複数の圧電層と複数の電極層とが前記複数個のインク室と平行に交互に積層され、前記インク室に対向する位置でかつ積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより前記積層方向に圧電縦効果により伸縮する活性部として形成され、この活性部を構成する複数の圧電層のうち、前記インク室から遠い側の圧電層は、前記インク室に近い側の圧電層よりも層の厚みを厚くしたものである。
従って、請求項１に記載の発明と同様に、圧電アクチュエータは、前記活性部における層の厚い圧電層が、前記インク室から離して配置されることで、この厚い圧電層の伸縮変形の量が少なくても、インク室内のインクを噴射することへの影響を極めて小さくすることができる結果、インク室からインクを噴射するのに必要な所定の変位量を確保しながら、静電容量を低減することのできるインクジェットプリンタヘッドが構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による圧電式インクジェットプリンタヘッドを示す分解斜視図である。
【図２】キャビティユニットと圧電アクチュエータとの一端部を示す拡大斜視図である。
【図３】キャビティユニットの分解斜視図である。
【図４】キャビティユニットの部分的拡大斜視図である。
【図５】圧電アクチュエータの分解斜視図である。
【図６】圧電アクチュエータの部分的拡大斜視図である。
【図７】実施の形態の圧電アクチュエータの部分的縦断面図である。
【図８】他の実施の形態の圧電アクチュエータの部分的縦断面図である。
【図９】他の実施の形態の圧電アクチュエータの部分的縦断面図である。
【図１０】他の実施の形態の圧電アクチュエータの部分的縦断面図である。
【図１１】従来の形態の圧電アクチュエータの部分的縦断面図である。
【符号の説明】
１０キャビティユニット
１１ノズルプレート
１２マニホールドプレート
１２ａ、１２ｂインク通路
１３スペーサプレート
１４ベースプレート
１５ノズル
１６インク室
１６ａ先端部
１６ｂ他端
１７貫通孔
２０圧電アクチュエータ
２１圧電シート
２２、２２ａ〜２２ｄ厚い圧電層
２４個別電極
２５コモン電極
２５ａ引き出し部
２６ダミー個別電極
２７ダミーコモン電極
３０、３１表面電極
３２、３３スルーホール
５０活性部
５１拘束部

Claims

圧電アクチュエータを伸縮させてその伸縮を利用する部材を備えた装置において、
前記圧電アクチュエータは、圧電材料からなる複数の圧電層と複数の電極層とが前記伸縮方向に交互に積層され、積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより前記積層方向に圧電縦効果により伸縮する活性部として形成され、この活性部を構成する複数の圧電層のうち、前記伸縮を利用する部材から遠い側の圧電層は、前記伸縮を利用する部材に近い側の圧電層よりも層の厚みを厚くしたことを特徴とする圧電アクチュエータを備えた装置。
前記圧電アクチュエータは、前記層の厚い圧電層よりもさらに前記伸縮を利用する部材から遠い側に、前記活性部が前記伸縮を利用する部材とは反対方向に変形するのを抑える拘束層を備えることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータを備えた装置。
前記活性部の圧電層は、圧電材料からなる圧電シートにより形成され、前記層の厚い圧電層は、他の圧電層よりも１層あたりの圧電シートの積層枚数が多いことを特徴とする請求項１または２記載の圧電アクチュエータを備えた装置。
前記活性部の圧電層は、圧電材料からなる圧電シートにより形成され、前記層の厚い圧電層の圧電シートは、他の圧電層の圧電シートよりもシートの膜厚が厚いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えた装置。
複数個のインク室を配列して有するキャビティユニットに、圧電アクチュエータを接合し、その圧電アクチュエータに伸縮により前記インク室の容積を変えて前記インク室内のインクを噴射するインクジェットプリンタヘッドにおいて、
前記圧電アクチュエータは、前記複数個のインク室にわたる大きさを有する圧電材料からなる複数の圧電層と複数の電極層とが前記複数個のインク室と平行に交互に積層され、前記インク室に対向する位置でかつ積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより前記積層方向に圧電縦効果により伸縮する活性部として形成され、この活性部を構成する複数の圧電層のうち、前記インク室から遠い側の圧電層は、前記インク室に近い側の圧電層よりも層の厚みを厚くしたことを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。
前記圧電アクチュエータは、前記層の厚い圧電層よりもさらに前記インク室から遠い側に、前記活性部が前記インク室とは反対方向に変形するのを抑える拘束層を備えることを特徴とする請求項５記載のインクジェットプリンタヘッド。
前記活性部を挟む電極層のうち一方は前記各インク室毎に設けられるとともに電極層の他方は前記各インク室に共通して設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載のインクジェットプリンタヘッド。
前記活性部の圧電層は、圧電材料からなる圧電シートにより形成され、前記層の厚い圧電層は、他の圧電層よりも１層あたりの圧電シートの積層枚数が多いことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のインクジェットプリンタヘッド。
前記活性部の圧電層は、圧電材料からなる圧電シートにより形成され、前記層の厚い圧電層の圧電シートは、他の圧電層の圧電シートよりもシートの膜厚が厚いことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のインクジェットプリンタヘッド。