JP4069356B2

JP4069356B2 - 圧電トランスデューサおよびそれを用いた液滴噴射装置

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Publication number: JP4069356B2
Application number: JP2002020335A
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Inventors: 高橋　　義和
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Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2022-01-29
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電トランスデューサおよびそれを用いた液滴噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリントヘッドに圧電式の液滴噴射装置を利用したものが従来から提案されている。これは、圧電トランスデューサの寸法変位によってインクを収容した液室の容積を変化させることにより、その容積減少時に液室内のインクをノズルから噴射し、容積増大時にインク供給源から液室内にインクを導入するようにしたもので、ドロップオンデマンド方式と呼ばれている。そして、このような噴射機構を多数互いに近接して配設し、所定の位置の噴射機構からインクを噴射することにより、所望する文字や画像を形成するのである。
【０００３】
しかしながら従来の圧電式の液滴噴射装置は１つの噴射機構に１つの圧電トランスデューサが用いられていたため、高解像度で広い範囲の画像形成を行うために多数の噴射機構を密集して配置しようとすると、その構造が複雑で製造工数が多く、高価になるという問題と、上記圧電トランスデューサの寸法を加工の制約上あまり小さくできないため、１つ１つの噴射機構の小型化が困難で解像度が制限されるという問題があった。
【０００４】
これらの問題を解決するために近年、複数の液室に跨って設けられた単一の圧電トランスデューサの所定の噴射機構に対応する部位のみを局部的に変形させる圧電式の液滴噴射装置が提案されている。この種の圧電式のインク噴射装置としては、例えば米国特許第5,266,964 号明細書に開示されたものがある。図２３及び図２４の断面図に示すこの圧電式の液滴（インク）噴射装置４０１は、上述の特許明細書に開示された圧電トランスデューサ４００と、インク室形成部材６０と、スペーサ部材７０と、スペーサ部材７０の底板に穿設された連通孔７１に連通するノズル８０を有するノズルプレート９０とで構成されている。
【０００５】
噴射装置４０１の液室５０の容積を変化させるための複数の圧電セラミックス層４１０と該圧電セラミックス層４１０の表面に沿って相互に所定の間隔をおいて配置される内部電極層４３０，４４０とを積層してなる圧電トランスデューサ４００が、複数の液室５０に跨って設けられている。
【０００６】
前記圧電セラミックス層４１０は積層方向と同一方向である矢印４５０の方向に分極されている。内部正電極層４３０、４３０に対応する部分が前記各液室５０、５０の各中央部に配置され、内部グランド電極層４４０、４４０、４４０に対応する部分が前記各液室５０、５０の両端部（インク室形成部材６０の上端）となるように配置されている。
【０００７】
所定の印字データに従って、１つの液室５０から液滴を噴射する場合には、該液室５０の両側の前記内部グランド電極層４４０、４４０と中央部の内部正電極層４３０との間に駆動電圧が印加されると、圧電セラミックス層４１０に内部正極電極４３０に対して対称な駆動電界（図中の破線矢印４５１方向）が分極方向と垂直方向にかかり、２つの部分がそれぞれ厚みすべり効果により平行四辺形状に変形し、内部正極電極４３０部分が図中上方向に向かって変位し、前記液室５０の容積を増加させる。その時の液室５０の容積増加に伴って図示しない液体供給装置から液体（インク）が補充される。そして、図２４に示すように電圧の印加が遮断され変形が元の位置まで戻されると、その時の液室５０の容積減少に伴って液室５０内の液体がノズル８０から液滴８１となって噴射される。
【０００８】
このような構成を持つ圧電アクチュエータを圧電トランスデューサとして用いた圧電式の液滴噴射装置であれば、製造も簡単であり、コストが安い、高い解像度が得られるという効果がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した圧電式の液滴噴射装置は、必要な液滴体積と液滴噴射速度が決まると、内部正電極層４３０と内部グランド電極層４４０との間の距離により必要な駆動電圧が決まるため、駆動電圧をあまり小さくできず、電源やドライバ基板などのコストが高くなるという欠点がある。また、駆動電圧が高すぎる場合には、駆動電圧方向と分極方向が垂直であるために、分極の劣化が進み、液滴噴射装置としての寿命が短くなるという欠点がある。
【００１０】
また、駆動電圧を下げるために、例えば前記内部正電極層４３０と前記内部グランド電極層４４０との間の距離を小さくした場合には、圧電トランスデューサ４００の局所変形する領域も少なくなり、前記液室５０への体積変化量も減少するために、結局駆動電圧を下げることができないという構成上の問題もある。
【００１１】
他方、特開平１０−５８６７４号公報、特開平１０−５８６７５号公報に記載されているように、上記のように厚みすべり変形する圧電セラミックス層の上に、厚み方向に変形する圧電セラミックス層を積層したものも知られているが、厚みすべり変形の効率を改善するには至っていない。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、低電圧で大きな変位が得られる圧電トランスデューサを提供し、駆動電圧を低減し、耐久性にすぐれ、電源やドライバ基板が低コストとすることができる液滴噴射装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明の圧電トランスデューサは、１枚の圧電セラミックス層乃至複数枚の積層された圧電セラミックス層と、該圧電セラミックス層の面に沿う方向に間隔をおいて配置された複数の電極とを備え、該複数の電極のうち一部の複数の電極からなる第１群の電極間に挟まれた前記圧電セラミックス層の第１の領域と、該第１の領域の両側に位置する複数の電極からなる第２群の電極の間に挟まれる圧電セラミックス層の一対の第２の領域とを形成し、該第２の領域を、該第２群内の電極が対向する方向と直交する方向に分極してなり、各群の電極に駆動電圧を印加することにより、前記一対の第２の領域にそれぞれ分極方向と直交する駆動電界を生じさせて該各第２の領域を圧電厚みすべり効果により、前記第１の領域の全体を一方に偏倚させるように傾斜変位させ、且つ前記第１の領域を、該変位した前記一対の第２の領域の間の空間を増大する方向に変位させることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域は、前記第１群内の電極が対向する方向に分極され、各電極に駆動電圧を印加することにより、前記変位した両第２の領域間で、前記第１の領域に分極方向と平行に生じた駆動電界により該第１の領域を圧電縦効果の変位をさせるものである。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域は、圧電セラミックス層の面に沿う方向に間隔を置いた複数個の電極にて挟まれ、対称に分極された偶数個の部分からなるものである。
【００１６】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域と第２の領域との境界部に位置する電極は、前記第１の領域及び第２の領域に対するそれぞれの一方の電極を兼ねるものである。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域は、圧電セラミックス層の面に沿う方向に間隔を置いた奇数個の電極にて挟まれ、各電極が対向する方向とほぼ直交する方向に分極され、前記各電極間に駆動電圧を印加することにより、前記第１の領域に分極方向と垂直な方向に駆動電界を生じさせ、前記各電極に挟まれる各部分をそれぞれ圧電厚みすべり効果の変位をさせることを特徴とする。
【００１８】
そして、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域と第２の領域との境界部に位置する電極は、該両領域にそれぞれ駆動電圧を印加するように兼用され、前記第１の領域の分極方向は、前記第２の領域の分極方向に対して１８０°反転されており、前記両領域に発生させる駆動電界の向きを、前記隣接部分の電極に対して対称としたものである。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域と第２の領域との境界部に位置する電極は、該両領域にそれぞれ駆動電圧を印加するように兼用され、前記第１の領域の分極方向は前記第２の領域の分極方向と同方向であり、前記両領域に発生させる駆動電界の向きは、同方向であることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電トランスデューサにおいて、圧電トランスデューサの上下両面は研摩面からなることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の圧電トランスデューサにおいて、前記各群の電極は、各圧電セラミックス層間に介挿され、且つ圧電セラミックス層の積層方向と同方向に積層状をなしており、積層方向の電極に同じ電位が印加されることを特徴とするものである。
【００２２】
そして、請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれかの圧電トランスデューサを複数の液室に跨って配置し、選択的に各液室の容積を変化させることにより該液室内の液体を噴射する液滴噴射装置において、前記各液室の中央位置に、前記第１の領域を対応配置し、各液室の中央よりも両端寄りに、前記第２の領域を対応配置したものである。
【００２３】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の液滴噴射装置において、前記第２の領域を挟む複数の電極のうち、前記第１の領域とは反対側の電極は、前記各液室を隔てる隔壁に対応して位置するものである。
【００２４】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の液滴噴射装置において、前記駆動電圧を印加したとき、前記圧電トランスデューサの一対の第２の領域は前記液室の容積を増大する方向に変形し、且つ前記第１の領域は両第２の領域の間の容積を増大する方向に変形することを特徴とするものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電トランスデューサおよび液滴噴射装置をインク噴射装置に具体化した第１の実施の形態について図１〜８を参照して説明する。
【００２６】
図１に示すように、インク噴射装置２００は、圧電トランスデューサ１００と、インク室形成部材６０と、スペーサ部材７０と、ノズル８０を有するノズルプレート９０とで構成されている。
【００２７】
インクを収容するインク室（液室）５０は、インク室形成部材６０に穿設した開口の上下を圧電トランスデューサ１００とスペーサ部材７０とで覆って作られ、幅（図において左右方向）０．３７５ｍｍ、長さ（図において紙面と直交する方向）２．０００ｍｍという形状で、０．５０８ｍｍというピッチ（５０ＤＰＩ）で図において左右方向に複数並んでいる。インク室５０の長さ方向の一端は、スペーサ部材７０に穿設した連通孔７１を介してノズルプレート９０のノズル８０に連通し、他端は、図示しないインク供給源に連通している。
【００２８】
圧電トランスデューサ１００は、チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラミックス材料からなる圧電セラミックス材料からなり、圧電・電歪効果を有する１層乃至複数層の圧電セラミックス層１０と、各圧電セラミックス層１０の表面に沿って適宜間隔をおいて配置された複数の電極としての内部電極層２０、３０、４０から構成されている。
【００２９】
本実施形態においては、前記内部電極層２０、３０、４０は、インク室の幅方向（図中左右方向）における位置により区別されており、インク室５０の中央部に対応するものを中央部内部電極層２０とし、隣り合うインク室５０を隔てる隔壁部に対応するものを端部内部電極層４０とし、前記中央部内部電極層２０と端部内部電極層４０との間のほぼ中央部に対応するものを境界部内部電極層３０とするように、それぞれ分類されている。これらの複数の電極のうち一部の奇数個の電極からなる第１群の電極（内部電極層３０、２０、３０）間に挟まれた圧電セラミックス層１０の領域を第１の領域３００と称し、この第１の領域の両側に位置する複数の電極からなる第２群の電極（内部電極層３０、４０、３０、４０）で挟まれる圧電セラミックス層１０の領域を第２の領域３１０と称する。
【００３０】
前記圧電セラミックス層１０の１層の厚さは０．０１５ｍｍであり、それぞれの積層界面に前記内部電極層２０、３０、４０を介して計６層が積層されていて厚さ０．０９０ｍｍの圧電トランスデューサ１００を構成している。
【００３１】
前記両内部電極層２０、３０、４０はＡｇ−Ｐｄ系の金属材料からなり、厚さは約０．００２ｍｍである。幅（図において左右方向）は、前記両内部電極層２０、３０は約０．０４０ｍｍ、前記両内部電極層４０は約０．０８０ｍｍであり、かつ同一平面内での隣接する内部電極層２０と内部電極層３０との間は約０．０７７ｍｍ空けて分割されている。
【００３２】
前記中央部内部電極層２０を中心にして図１の左右両側の境界部内部電極層３０、３０にて挟まれた一対の領域（第１の領域３００）は、本実施形態では縦効果変形領域となり、この領域内での分極方向は、それぞれ実線矢印２２０で示すように、インク室の幅方向（即ち、内部電極層２０、３０が対向する方向）と一致し、かつ電極層２０を中心に対称としている。また、前記第１の領域３００の両側に、隣り合って配置された前記端部内部電極層４０、４０と前記境界部内部電極層３０とに挟まれた第２の領域３１０、３１０は、本実施形態では、厚みすべり変形領域３１０となる。この各第２の領域３１０内での分極方向は、実線矢印２１０で示すように、圧電セラミックス層１０の積層方向と一致している。つまり、圧電トランスデューサ１００には、インク室５０の中央側の縦効果変形領域と、これを挟んで両側方に厚みすべり変形領域とがその順に、かつインク室５０の中央に対して対称に形成されている。
【００３３】
前記圧電トランスデューサ１００は、以下の製造方法によって製造される。
【００３４】
図２に示すように、先ず、圧電セラミックス層１０を形成するためのセラミックスグリーンシート１１０の上側表面に、分割された内部電極層２０、３０、４０をスクリーン印刷により形成する。それぞれの内部電極層は、電極引出し方向により、その形状が異なっている。図２に示すように中央部内部電極層２０は図中手前側および奥側への取り出しをしないが、その中央部内部電極層２０を挟んで位置する境界部内部電極層３０は図中手前側に取り出せるようにし、さらにその両脇に位置する端部内部電極層４０は図中奥側に取り出せるようにしている。このグリーンシート１１０を５枚重ねて、最上部に電極のないグリーンシート１２０を１枚重ねる。
【００３５】
グリーンシートの面内での電気的取出しを持たない中央部内部電極層２０については、積層方向（図中上下方向）に取り出すため、最下部のグリーンシート１１０を除いた全てのグリーンシート１１０および最上面のグリーンシート１２０には、中央部内部電極層２０に接続し、且つ積層方向に貫通するスルーホール１３０がレーザー加工等により形成されており、該スルーホール１３０内は、Ａｇ−Ｐｄ系の金属材料にて満たされている。
【００３６】
そして積層された５枚のグリーンシート１１０及びグリーンシート１２０を加熱プレスし、公知のように脱脂、焼結を施すことにより、図３に示すように上面には中央部内部電極層２０に電気的に接続するスルーホール１３０が露出しており、手前面には境界部内部電極層３０が露出しており、同様に奥側面には、端部内部電極層４０（図３で図示しない）が露出している圧電トランスデューサ１００を得る。
【００３７】
かくして得られた圧電トランスデューサ１００の上面に正電極２３０、下面に負電極２４０を装着した（図４参照）後、１３０℃程度のシリコンオイルなどの絶縁オイルが満たされた図示しないオイルバス中に浸し、図示しない分極電源により２．５ｋV/mm程度の電界を前記正電極２３０と負電極２４０との間に印加し、第１の分極処理を施す。このとき、中央部内部電極層２０は上記したスルーホール１３０を介して前記正電極２３０に対して相互に電気的に接続されているが、他の内部電極層３０、４０は電気的にはどこにも接続せずに全て浮いた状態となっているため、隣り合う端部内部電極層４０と境界部内部電極層３０とに挟まれた第２の領域３１０においては、圧電セラミックス層の積層方向（実線矢印２１０に示す方向）に２．５ｋV/mmの電界が印加され十分に分極される。他方、中央部内部電極層２０を中心に境界部内部電極層３０、３０に挟まれた第１の領域３００では、該中央部内部電極層２０が積層方向に全てスルーホール１３０により接続されているため、完全には電界がかからず、前記第２の領域３１０におけるのと同方向（実線矢印２１５方向）に、且つ該第２の領域３１０よりも弱く分極される（図４参照）。
【００３８】
前記のように、第１の分極処理された圧電トランスデューサ１００を取り出して、図５に示すように、圧電トランスデューサ１００の上面に露出したスルーホール１３０（図３参照）には電気的に接続する中央部外部電極１５０を個別に形成する。圧電トランスデューサ１００の手前面に露出する複数の境界部内部電極層３０（図３参照）の端部には相互に電気的に接続する境界部外部電極１４０を前記インク室５０に対応する形成グループごとに形成する。同様に奥側面に露出する複数の端部内部電極層４０（図３参照）の端部には相互に電気的に接続する端部外部電極（図示しない）を前記インク室５０に対応する形成グループごとに形成する。なお、これらの外部電極１４０、１５０、１６０は銀ペーストの印刷および焼き付け法やスパッタ法などの方法で形成することができる。
【００３９】
次に、前記圧電トランスデューサ１００を再び１３０℃程度のシリコンオイルなどの絶縁オイルが満たされた図示しないオイルバス中に浸し、第２の分極処理を施す。このとき、中央部外部電極１５０には正電圧、境界部外部電極１４０と端部内部電極層４０の端部外部電極とにはともに負電圧を印加する（図６参照）。すると、図６に示すように境界部内部電極層３０と端部内部電極層４０とで挟まれる前記第２の領域３１０、３１０では電界が印加されず、新たな分極は行われない。また、中央部外部電極１５０に電気的に接続する中央部内部電極層２０と、境界部外部電極１４０に電気的に接続する境界部内部電極層３０とで挟まれる第１の領域３００では、電極層２０を中心に対称に実線矢印２２０に示す方向（即ち、中央部内部電極層２０と境界部内部電極層３０との各電極が対向する方向）に２．５ｋV/mmの電界が印加され分極される。
【００４０】
以上の方法により、第１の領域３００内での分極方向は、実線矢印２２０で示すように、インク室の幅方向と一致し、また第２の領域３１０、３１０内での分極方向は、実線矢印２１０で示すように、積層方向と一致するように分極処理された圧電トランスデューサ１００が得られるのである。このようにして得られた圧電トランスデューサ１００にインク室形成部材６０やスペーサ部材７０およびノズルプレート９０を一体的に組み付けることで、図１に示すような前記インク噴射装置２００が構成される。
【００４１】
以上のように構成されたインク噴射装置２００の動作について説明する。図１に示すように、初期状態においては、全ての内部電極層２０、３０、４０は全て接地（グラウンド）されている。また、インク室５０内はインクにて満たされている。
【００４２】
所定の印字データに従って、１つのインク室５０ａに連通するノズル８０ａからインク液滴を噴射する場合には、図７に示すように前記インク室５０ａに対応する境界部内部電極層３０ａ、３０ｂに駆動電圧（例えば＋１５Ｖ）が印加され、その他の内部電極層は接地しておく。そうすると、前記インク室５０ａに対応する前記境界部内部電極層３０ａ、３０ｂと、前記インク室５０ａに対応する中央部内部電極層２０ａ間に破線矢印２６０で示す駆動電界（即ち、各電極が対向する方向の駆動電界、第１の領域３００での分極方向２２０と平行状の駆動電界）が生じる。また、前記境界部内部電極層３０ａと、端部内部電極層４０ａの間、そして前記境界部内部電極層３０ｂと、端部内部電極層４０ｂの間にも破線矢印２５０で示す駆動電界が生じる。
【００４３】
即ち、第２の領域３１０ａ、３１０ｂ（厚みすべり変形領域）においては、実質的に分極方向２１０と垂直な方向の駆動電界２５０が印加され、圧電・電歪の厚みすべり効果の寸法歪に従い同領域３１０ａ、３１０ｂがそれぞれ平行四辺形状に変形し、該インク室５０ａの外側方向へと変位し、前記インク室５０ａ内の容積を増大させようとする。換言すると、前記分極方向２１０と垂直な方向の駆動電界２５０が印加されることにより、前記第１の領域の全体をノズル８０ａから離れる方向に偏倚させるように、第２の領域３１０ａ、３１０ｂ（厚みすべり変形領域）のうち前記境界部内部電極層３０ａ、３０ｂが端部内部電極層４０ａ、４０ｂに対して傾斜変位する。
【００４４】
また、第１の領域３００ａ（縦効果変形領域）においては、分極方向２２０と方向が一致する駆動電界２６０が印加されインク室５０ａの幅方向へ伸びる。この第１の領域３００ａ（縦効果変形領域）の伸びは、上述したようにインク室５０ａの外側方向へと傾斜した第２の領域３１０ａ、３１０ｂの端部をさらに広げようとするから、その第２の領域３１０ａ、３１０ｂ（厚みすべり変形領域）の変形を助長する。また、第１の領域３００ａにおいては、分極方向２２０と方向が一致する駆動電界２６０が印加されると積層方向に対しては横効果変形により縮むため、前記インク室５０ａ内の容積をさらに増大する。従って、前記傾斜変位した第２の領域３１０ａ、３１０ｂの間の空間をさらに増大させるように、第１の領域３００ａが変位するのである。
【００４５】
このときインク室５０ａ内の圧力が減少する。この状態を、このとき生じた圧力波のインク室５０ａ内での片道伝播時間Ｔだけ維持する。すると、その間図示しないインク供給源からインクが供給される。
【００４６】
なお、上記片道伝播時間Ｔはインク室５０ａ内の圧力波が、インク室５０ａの長手方向（図中、紙面に垂直な方向）に伝播するのに必要な時間であり、インク室５０ａの長さＬとこのインク室５０ａ内部のインク中での音速ａによりＴ＝Ｌ／ａと決まる。
【００４７】
圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加からほぼＴ時間がたつとインク室５０ａ内の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせて境界部内部電極層３０ａ、３０ｂに印加されている電圧を０（Ｖ）に戻す。すると図８に示すように、前記圧電トランスデューサ１００が局所変形前の状態に戻り、インク室５０ａ内のインクに圧力が加えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、前記圧電トランスデューサ１００が局所変形前の状態に戻ることにより発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力がインク室５０ａに連通するノズル８０ａ付近の部分に生じて、インク液滴８１がそのノズル８０ａから噴射される。
【００４８】
このように、本実施の形態のインク噴射装置２００においては、圧電トランスデューサ１００の最下層よりも上に内部電極層を形成しているため、インクとの接触による電極の腐食を避けることができ、さらに、電極が内層されているために異符号極電極間での放電による圧電トランスデューサ１００の破壊も起こらず信頼性が高くなるのである。
【００４９】
また、上述のように駆動電圧が印加された場合に、一対の第２の領域３１０、３１０における厚みすべりの変形と、第１の領域３００における縦効果、横効果および縦効果の変形が、全てインク室５０ａの容積を増大する方向に作用するため、比較的低い駆動電圧にて高い圧力がインク室５０ａに通じるノズル８０ａの付近に発生させてインク滴の飛翔力を高めることができる。さらに、各内部電極間の距離が短くなり、印加する電圧を低減することができる。換言すると、従来と同じインク滴の飛翔力を得るための駆動電圧を略半分に低減することができ、駆動するための電源コストも低減できるのである。
【００５０】
また、第１の領域３００は、実施の形態のように中央内部電極層２０を中心に対称な２つの部分で構成するのではなく、単一の部分で構成することもできる。このようにすると、一対の第２の領域３１０、３１０の分極方向を相互に逆にし、電界の方向も逆にする必要がある。前記実施の形態のように中央内部電極層２０を中心に対称な２つの部分で第１の領域３００を構成することが、分極処理や電圧印加のための配線において好都合である。
【００５１】
図９〜図１７は第２実施例を示す。図９の断面図に示すように、液滴噴射装置２００は、圧電トランスデューサ１００と、第１の液室部材としてのスペーサ部材７０と、第２の液室部材としてのインク室形成部材６０とノズル８０を有するノズルプレート９０で構成されている。前記圧電トランスデューサ１００と前記スペーサ部材７０と前記インク室形成部材６０とで囲まれる液室５０は、幅（図において左右方向）０．４５０ｍｍ、長さ（図において紙面と直交する方向）２．０００ｍｍという形状で、０．５０８ｍｍというピッチ（５０ＤＰＩ）でアレイ方向（図の左右方向）に複数並んでいる。
【００５２】
圧電トランスデューサ１００は、チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラミックス材料からなる圧電セラミックス材料からなり、圧電・電歪効果を有する１層乃至複数層の圧電セラミックス層１０と、各圧電セラミックス層１０の表面方向に沿って適宜間隔をおいて配置された複数の電極としての内部電極層２０、３０、４０から構成されている。
【００５３】
本実施形態においては、前記内部電極層２０、３０、４０は、インク室の幅方向（図中左右方向）における位置により区別されており、インク室５０の中央部に対応するものを中央部内部電極層２０とし、隣り合うインク室５０を隔てる隔壁部に対応するものを端部内部電極層４０とし、前記中央部内部電極層２０と端部内部電極層４０との間のほぼ中央部に対応するものを境界部内部電極層３０とするように、それぞれ分類されている。これらの複数の電極のうち一部の奇数個の電極からなる第１群の電極（内部電極層３０、２０、３０）間に挟まれた圧電セラミックス層１０の領域を第１の領域３００と称し、この第１の領域の両側に位置する複数の電極からなる第２群の電極（端部内部電極層３０、４０、３０、４０）で挟まれる圧電セラミックス層１０の領域を第２の領域３１０と称する。
【００５４】
従って、前記圧電トランスデューサ１００は、各液室５０の中央部に位置する第１の領域３００と、各液室５０の両端部に位置し、前記第１の領域３００の左右に隣接する第２の領域３１０という２つの領域からなる。
【００５５】
前記圧電セラミックス層１０の１層の厚さは０．０１５ｍｍであり、それぞれの積層境界面に前記内部電極層２０、３０、４０とを交互に、その積層界面に挟みながら６層に積層されており、圧電トランスデューサ１００は厚さ０．０９０ｍｍとなっている。
【００５６】
前記内部電極層２０、３０、４０はＡｇ−Ｐｄ系の金属材料からなり、厚さは約０．００２ｍｍである。幅（図において左右方向）は、前記中央部内部電極層２０、境界部内部電極層３０は約０．０１２ｍｍ、端部内部電極層４０は各々約０．０５８ｍｍである。
【００５７】
前記第１の領域３００の領域内での分極方向は、図９の実線矢印１８０で示すように、積層方向と一致している。また、第２の領域３１０の領域内での分極方向は、実線矢印１９０で示すように、積層方向と一致しているが、前記第１の領域３００の領域内での分極方向（実線矢印１８０）とは１８０°反転方向である（図９参照）。
【００５８】
本実施形態（第２実施形態）の圧電トランスデューサ１００は、以下の製造方法によって製造される。
【００５９】
先ず、圧電セラミックス層１０を形成するためのグリーンシート１１０の上側表面に、前記第１実施形態と同様にして分割された内部電極層２０、３０、４０をスクリーン印刷により形成する。以上のもの全体を加熱プレスし、脱脂、焼結等の必要な処理を施したのちに、積層状の境界部内部電極層３０同士を電気的接続するために前記第１実施形態と同じく境界部外部電極１４０を形成しておく。そして、図１０に示すように上下面に境界部内部電極層３０に対応する部分で分割された分極用電極１０１ａ，１０１ｂと、端部内部電極層４０に対応する部分で分割された分極用電極１０２ａ，１０２ｂをそれぞれスクリーン印刷やスパッタなどの手法により形成し、圧電トランスデューサ１００を得る。ここで、第１の分極用電極１０１ａ，１０１ｂは、その中央部が中央部内部電極層２０に対応する位置に配置されており、第２の分極用電極１０２ａ，１０２ｂは、その中央部が端部内部電極層４０に対応する位置に配置されている。
【００６０】
かくして得られた圧電トランスデューサ１００を、１３０℃程度のシリコンオイルなどの絶縁オイルが満たされた図示しないオイルバス中に浸し、上下面の第１の分極用電極１０１間に、図示しない分極電源により２．５ｋV/mm程度の電界を印加し、具体的には図中、上側の第１の分極用電極１０１ａは接地し、図中、下側の第１の分極用電極１０１ｂには正電圧を印加することで分極処理を施す。このとき、上下面の第２の分極電極１０２ａ，１０２ｂ間には、電界を印加しない（図１０参照）。
【００６１】
このような第１の分極処理により図１０に示すように、第１の分極電極１０１ａ、１０１ｂ間が、実線矢印１８０で示すように、積層方向と一致する方向（図中、上方向）に分極される。その後、再び圧電トランスデューサ１００を、１３０℃程度のシリコンオイルなどの絶縁オイルが満たされた図示しないオイルバス中に浸し、図１１に示すように、上下面の第２の分極用電極１０２ａ，１０２ｂ間に、図示しない分極電源により２．５ｋV/mm程度の前述した上下の第１の分極用電極１０１ａ、１０１ｂ間に印加した方向と１８０°反転した方向の電界を印加する。具体的には図１１において、上側の第２の分極用電極１０２ａには正電圧を印加し、下側の第２の分極用電極１０２ｂは接地することで分極処理を施す。このとき、前記境界部外部電極１４０を介して境界部内部電極層３０も全て接地するが、上下面の第１の分極電極１０１ａ、１０１ｂ間には、電界を印加しないことで、上述した前記上下面の第１の分極電極１０１ａ、１０１ｂ間の分極が劣化しないようにする。
【００６２】
このような第２の分極処理により図１１に示すように、第２の分極電極１０２ａ、１０２ｂ間が、実線矢印１９０で示すように、ほぼ積層方向と一致する方向に分極される。上述したように分極時に前記境界部内部電極層３０も接地するために、分極方向１９０の一部は図１１に示したように前記中央部内部電極層２０に向かう成分も含まれる。
【００６３】
次に、図１２に示すように、圧電トランスデューサ１００の上下面の分極用電極１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂを研削により、除去する。第１群の中央部内部電極層２０を中心として、その両側の境界部内部電極層３０、３０にて挟まれた部分が、前述した第１の領域３００となり、前記第１の領域３００に隣接して、前記境界部内部電極層３０と第２群の端部内部電極層４０とで挟まれた部分が、前述した第２の領域３１０となる。前記第１の領域３００の分極方向１８０と前記第２の領域３１０の分極方向１９０とは１８０°反転した方向となる。なお、内部電極層２０、４０同士の電気的接続の構成は、第1 実施形態と同じであるので、詳細な説明は省略する。
【００６４】
このようにして得られた圧電トランスデューサ１００に前記インク室形成部材６０やスペーサ部材７０および前記ノズルプレート９０を一体的に組み付けることで、図９に示すような前記液滴噴射装置２００が構成される。
【００６５】
なお、前記第２実施形態の分極形成のための別の実施例として、図１３に示す形態では、先ず、圧電セラミックス層１０を形成するための各グリーンシート１１０の上側表面に、分割された内部電極層２０、３０、４０をスクリーン印刷により形成する。なお、各内部電極層２０、３０、４０同士の電気的接続の構成は第１実施形態と同じであるので詳細な詳細な説明は省略する。
【００６６】
一方、分極用の表面セラミックス層となる最上側の分極用グリーンシート１７０ａの片面に分極用内部電極層１０１ａ、１０２ａを、他方の最下側の分極用グリーンシート１７０ｂの片面に分極用内部電極層１０１ｂ、１０２ｂをそれぞれスクリーン印刷により形成する。これらの分極用内部電極層１０１ａ、１０２ａを最上側の分極用グリーンシート１７０ａの上面に電気的に取り出すため及び分極用内部電極層１０１ｂ、１０２ｂを最下側の分極用グリーンシート１７０ｂの下面に電気的に取り出すために、前記第１実施形態と同様に各グリーンシート１７０ａ、１７０ｂに積層方向に穿設したスルーホール（図示せず）内の導電材料（Ａｇ−ｐｄ系金属材料）を介して各グリーンシート１７０ａ、１７０ｂの上面、下面に形成した外部電極（図示せず）に接続しておく。
【００６７】
図１３に示すように、第１の分極用内部電極層１０１ａ、１０１ｂは、その中央部が第１群の電極としての中央部内部電極層２０に対応する位置に配置されており、同じく第２の分極用内部電極層１０２ａ、１０２ｂは、その中央部が第２群の電極としての端部内部電極層４０に対応する位置に配置されている。
【００６８】
前記複数枚のグリーンシート１１０を積層した上下面に分極用グリーンシート１７０ａ、１７０ｂを積層する。このとき、分極用内部電極層１０１ａ、１０２ａ及び分極用内部電極層１０１ｂ、１０２ｂが積層内部に位置するように積層し、全体を加熱プレスし、脱脂、焼結等の必要な処理を施し圧電トランスデューサ１００を得る。
【００６９】
かくして得られた圧電トランスデューサ１００を、１３０℃程度のシリコンオイルなどの絶縁オイルが満たされた図示しないオイルバス中に浸し、最上層、最下層の第１の分極用電極１０１ａ、１０１ｂ間に、図示しない分極電源により２．５ｋV/mm程度の電界を印加する。具体的には図１３において、最上層の第１の分極用内部電極層１０１ａは接地し、図中、最下層の第１の分極用内部電極層１０１ｂには正電圧を印加することで分極処理を施す。このとき同時に最上層、最下層の第２の分極用内部電極層１０２ａ、１０２ｂ間に、図示しない分極電源により２．５ｋV/mm程度の前述した最上層、最下層のの第１の分極用内部電極層１０１間に印加した方向と１８０°反転した方向の電界を印加する。具体的には図１３において、最上層の第２の分極用内部電極層１０２ａには正電圧を印加し、図中、最下層の第２の分極用内部電極層１０２ｂは接地することで分極処理を施す。このとき同時に、全ての境界部内部電極層３０は接地してある。
【００７０】
このような分極処理により図１３に示すように、第１の分極用内部電極層１０１ａ、１０１ｂ間に、実線矢印１８０で示すように、ほぼ積層方向と一致する方向（図中、上方向）に分極される。上述したように分極時に前記境界部内部電極層３０も接地するために、分極方向１８０の一部は図１３に示したように前記境界部内部電極層３０に向かう成分も含まれる。また第２の分極用内部電極層１０２ａ、１０２ｂ間に、実線矢印１９０で示すように、ほぼ積層方向と一致する方向に分極される。上述したように分極時に前記境界部内部電極層３０も接地するために、分極方向１９０の一部は図１３に示したように前記境界部内部電極層３０に向かう成分も含まれる。
【００７１】
次に、圧電トランスデューサ１００の上下面を分極用内部電極層１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂも含めて研削により除去する。これにより、前記実施形態と同じく、図１２に示すように、圧電トランスデューサ１００の上下面には研摩面ができる。なお、上記研削により、分極時の圧電トランスデューサ１００の歪をなくして、インク室形成部材６０や外部電極１５０等の密着性を良くし、また、各部位の変形を均一にすることができる。
【００７２】
第１群の中央部内部電極層２０を中心として、一対の境界部内部電極層３０、３０にて挟まれた部分が、前述した第１の領域３００となり、前記第１の領域３００に隣接して、前記境界部内部電極層３０と第２群の端部内部電極層４０とで挟まれた部分が、前述した第２の領域３１０となる。本実施形態の分極処理によれば、前記第１の領域３００の分極方向１８０と前記第２の領域３１０の分極方向１９０とは１８０°反転した方向となり、且つ積層方向の分極のための電界を同時に印加できるから、分極処理を迅速に行えるという効果を奏する。
【００７３】
以上のように構成された液滴噴射装置２００の動作について説明する。図１４に示すように、初期状態においては、全ての内部電極層２０、３０、４０は全て接地されている。また、液室５０内は液体にて満たされている。所定の印字データに従って、液室５０ａに連通するノズル８０から液滴を噴射する場合には、図１５に示すように前記液室５０ａに対応する境界部内部正電極層３０ａ、３０ｂに駆動電圧（例えば１５Ｖ）が印加される。このとき、前記液室５０ａに対応する第１の領域３００の境界部内部電極層３０ａ、３０ｂと中央部内部電極層２０ａとの間に破線矢印１８１で示す分極方向１８０と垂直な方向の駆動電界が生じ、同時に前記液室５０ａに対応する第２の領域３１０の境界部内部電極層３０ａと端部内部電極層４０ａ間、および境界部内部電極層３０ｂと端部内部電極層４０ｂ間に破線矢印１９１で示す分極方向１９０と垂直な方向の駆動電界が生じる。前記液室５０ａに対応する第１の領域３００ａ、第２の領域３１０ａ、３１０ｂともに、分極方向１８０、１９０に垂直な駆動電界１８１、１９１が印加され、圧電厚みすべり効果の変位に従い、どちらの領域も図１５において、上方向に変形をする。
【００７４】
すなわち、第１の領域３００内では、駆動電界１８１は中央部内部電極層２０ａに向かう方となり、第２の領域３１０内での駆動電界１９１の向きは液室５０ａの端部に向かうように逆向きとなり、圧電厚みすべり効果の変位（寸法歪）に従い、一対の第２の領域３１０ａ、３１０ｂがそれぞれ平行四辺形状に変形し、該インク室５０ａの外側方向へと変位し、前記インク室５０ａ内の容積を増大させようとする。換言すると、前記分極方向３３０と垂直な方向の駆動電界３３１が印加されることにより、前記第１の領域３００の全体をノズル８０ａから離れる方向に偏倚させるように、第２の領域３１０ａ、３１０ｂのうち前記境界部内部電極層３０ａ、３０ｂの側が端部内部電極層４０ａ、４０ｂに対して傾斜変位する。これ同時に、第１の領域３００においても、圧電厚みすべり効果の変位（寸法歪）に従い、中央部内部電極層２０の個所が最もインク室５０ａの外側方向へと変位するように、中央部内部電極層２０の個所を中心として境界部内部電極層３０ａと中央部内部電極層２０との間、および境界部内部電極層３０ｂと中央部内部電極層２０との間でそれぞれ対称状に平行四辺形状に局所変形し、インク室５０ａ内の容積を増大させるのである（図１５参照）。
【００７５】
このように、圧電トランスデューサ１００は、液室５０ａに対応する部分で、図１５に示すように、液室５０ａの容積を増大させる方向に、局所変形をする。このとき液室５０ａ内の圧力が減少する。この状態を、このとき生じた圧力波の液室５０ａ内での片道伝播時間Ｔだけ維持する。すると、その間図示しない液体供給部から液体が供給される。
【００７６】
なお、上記片道伝播時間Ｔは液室５０ａ内の圧力波が、液室５０ａの長手方向（図中、紙面に垂直な方向）に伝播するのに必要な時間であり、液室５０ａの長さＬとこの液室５０ａ内部の液体中での音速ａによりＴ＝Ｌ／ａと決まる。
【００７７】
圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加からほぼＴ時間がたつと液室５０ａ内の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせて境界部内部電極層３０ａ、３０ｂに印加されている電圧を０（Ｖ）に戻す。すると、図１６に示すように、前記圧電トランスデューサ１００が局所変形前の状態に戻り、液室５０ａ内の液体に圧力が加えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、前記圧電トランスデューサ１００が局所変形前の状態に戻ることにより発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力が液室５０ａに連通するノズル５０ａ付近の部分に生じて、液滴８１がそのノズル５０ａから噴射される。
【００７８】
このように、本実施例の液滴噴射装置２００においては、駆動電圧を印加した時に、第１の領域３００と第２の領域３１０とが隣接されていて、図２３、図２４に示した従来例の液滴噴射装置４０１と比べて、駆動電界が印加される内部電極層２０、３０、４０間の距離が１／２以下になっている。また前記第１の領域３００と前記第２の領域３１０はともに、同じ方向に、厚みすべり効果の変形をするため、図２３に示した従来例の液滴噴射装置４０１と比べても、液室５０に対する体積変化はほぼ同じである。従って、本実施例の液滴噴射装置２００においては従来例に比べて駆動電圧は約１／２に低減することができるのである。
【００７９】
続いて、本発明を具体化した第３実施形態について、図１７〜２２を参照して説明する。図１７にその液室（インク室）５０のアレイ方向（図１７の左右方向）の断面図に示し、前記各実施形態と同じく、液滴噴射装置２００は、圧電トランスデューサ１００と、第１の液室部材としてのスペーサ部材７０と、第２の液室部材としてのインク室形成部材６０とノズル８０を有するノズルプレート９０で構成されている。前記圧電トランスデューサ１００と前記スペーサ部材７０と前記インク室形成部材６０とで囲まれる液室５０は、幅（図において左右方向）０．４５０ｍｍ、長さ（図において紙面と直交する方向）２．０００ｍｍという形状で、０．５０８ｍｍというピッチ（５０ＤＰＩ）でアレイ方向（図の左右方向）に複数並んでいる。
【００８０】
圧電トランスデューサ１００は、チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラミックス材料からなる圧電セラミックス材料からなり、圧電・電歪効果を有する１層乃至複数層の圧電セラミックス層１０と、各圧電セラミックス層１０の表面方向に沿って適宜間隔をおいて配置された複数の電極としての内部電極層２０、３０、４０から構成されている。
【００８１】
本実施形態においては、前記内部電極層２０、３０、４０は、インク室の幅方向（図中左右方向）における位置により区別されており、インク室５０の中央部に対応するものを中央部内部電極層２０とし、隣り合うインク室５０を隔てる隔壁部に対応するものを端部内部電極層４０とし、前記中央部内部電極層２０と端部内部電極層４０との間のほぼ中央部に対応するものを境界部内部電極層３０とするように、それぞれ分類されている。これらの複数の電極のうち一部の奇数個の電極からなる第１群の電極（内部電極層３０、２０、３０）間に挟まれた圧電セラミックス層１０の領域を第１の領域３００と称し、この第１の領域の両側に位置する複数の電極からなる第２群の電極（端部内部電極層３０、４０、３０、４０）で挟まれる圧電セラミックス層１０の領域を第２の領域３１０と称する。
【００８２】
従って、前記圧電トランスデューサ１００は、各液室５０の中央部に位置する第１の領域３００と、各液室５０の両端部に位置し、前記第１の領域３００の左右に隣接する第２の領域３１０という２つの領域からなる。
【００８３】
前記圧電セラミックス層１０の１層の厚さ及び全体の厚さ並びに内部電極層２０、３０、４０の材料等も前記第２実施形態と同じである。
【００８４】
前記第１の領域３００の領域内での分極方向は、実線矢印３２０で示すように、積層方向と一致している。また、第２の領域３１０の領域内での分極方向も、実線矢印３３０で示すように、積層方向と一致しており、前記第１の領域３００の領域内での分極方向（実線矢印３２０）とも一致している。
【００８５】
前記圧電トランスデューサ２００は、以下の製造方法によって製造される。
【００８６】
先ず、圧電セラミックス層２１０を形成するためのグリーンシート素材の上側表面に、分割された内部電極層２０、３０、４０をスクリーン印刷により形成し、全体を加熱プレスし、脱脂、焼結等の必要な処理を施したのちに、図１８に示すように上下面全面に分極用電極２７０ａ、２７０ｂをスクリーン印刷やスパッタなどの手法により形成し、圧電トランスデューサ１００を得る。
【００８７】
かくして得られた圧電トランスデューサ１００を、１３０℃程度のシリコンオイルなどの絶縁オイルが満たされた図示しないオイルバス中に浸し、上下面の分極用電極２７０ａ、２７０ｂ間に、図示しない分極電源により２．５ｋV/mm程度の電界を印加する。具体的には図１８において、上側の分極用電極２７０ａには正電圧を印加し、図中、下側の分極用電極２７０ｂは接地することで分極処理を施す。このような分極処理により図１８に示すように、実線矢印３２０、３３０で示すように、積層方向と一致し、且つ向きも同じ方向（図中、下方向）に分極される。
【００８８】
次に、図１９に示すように、圧電トランスデューサ１００の上下面の分極用電極２７０ａ、２７０ｂを研削により、除去する。中央部内部電極層２０を中心として、境界部内部電極層３０、３０にて挟まれた部分が、前述した第１の領域３００となり、前記第１の領域３００に隣接して、前記境界部内部電極層３０と端部内部電極層４０とで挟まれた部分が、前述した第２の領域３１０となる。前記第１の領域３００の分極方向３２０と前記第２の領域３１０の分極方向３３０とは同一方向となる。
【００８９】
このようにして得られた圧電トランスデューサ１００に前記インク室形成部材６０や前記スペーサ部材７０および前記ノズルプレート９０を一体的に組み付けることで、図１７に示すような前記液滴噴射装置２００が構成される。
【００９０】
以上のように構成された液滴噴射装置２０１の動作について説明する。図２０に示すように、初期状態においては、全ての内部電極層２０、３０、４０は全て同一の負の電圧（例えば−１５Ｖ）が印加されている。また、液室５０内は液体にて満たされている。
【００９１】
所定の印字データに従って、液室５０ａに連通するノズル８０ａからインク液滴を噴射する場合には、図２１に示すように前記液室５０ａの中央部に対応する中央部内部電極層２０ａに駆動電圧（例えば１５Ｖ）が印加され、同時に前記液室５０ａに対応する境界部内部電極層３０ａ、３０ｂは接地される。そうすると前記液室５０ａに対応する第１の領域３００の境界部内部電極層３０ａ、３０ｂと中央部内部電極層２０ａとの間に破線矢印３２１で示す分極方向３２０と垂直な方向の駆動電界が生じ、同時に前記液室５０ａに対応する一対の第２の領域３１０ａ、３１０ｂの境界部内部電極層３０ａと端部内部電極層４０ａ間、および境界部内部電極層３０ｂと端部内部電極層４０ｂ間に破線矢印３３１で示す分極方向３３０と垂直な方向の駆動電界が生じる。前記液室５０ａに対応する第１の領域３００、第２の領域３１０ａ、３１０ｂともに、分極方向３２０（３３０）に垂直な駆動電界３２１、３３１が印加される。その場合、中央部内部電極層２０ａを境にして駆動電界３２１、３３１の向きは液室５０ａの端部に向かうように逆向きとなり、圧電厚みすべり効果の変位（寸法歪）に従い、一対の第２の領域３１０ａ、３１０ｂがそれぞれ平行四辺形状に変形し、該インク室５０ａの外側方向へと変位し、前記インク室５０ａ内の容積を増大させようとする。換言すると、前記分極方向３３０と垂直な方向の駆動電界３３１が印加されることにより、前記第１の領域３００の全体をノズル８０ａから離れる方向に偏倚させるように、第２の領域３１０ａ、３１０ｂのうち前記境界部内部電極層３０ａ、３０ｂの側が端部内部電極層４０ａ、４０ｂに対して傾斜変位する。これ同時に、第１の領域３００においても、圧電厚みすべり効果の変位（寸法歪）に従い、中央部内部電極層２０の個所が最もインク室５０ａの外側方向へと変位するように、中央部内部電極層２０の個所を中心として境界部内部電極層３０ａと中央部内部電極層２０との間、および境界部内部電極層３０ｂと中央部内部電極層２０との間でそれぞれ対称状に平行四辺形状に局所変形し、インク室５０ａ内の容積を増大させるのである（図２１参照）。
【００９２】
このとき液室５０ａ内の圧力が減少する。この状態を、このとき生じた圧力波の液室５０ａ内での片道伝播時間Ｔだけ維持する。すると、その間図示しない液体供給部から液体が供給される。
【００９３】
なお、上記片道伝播時間Ｔは液室５０ａ内の圧力波が、液室５０ａの長手方向（図中、紙面に垂直な方向）に伝播するのに必要な時間であり、液室５０ａの長さＬとこの液室５０ａ内部の液体中での音速ａによりＴ＝Ｌ／ａと決まる。
【００９４】
圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加からほぼＴ時間がたつと液室５０ａ内の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせて全ての内部電極層２０、３０、４０に同一の負の電圧（例えば−１５Ｖ）を印加する。すると図２２に示すように、前記圧電トランスデューサ２００が局所変形前の状態に戻り、液室５０ａ内の液体に圧力が加えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、前記圧電トランスデューサ２００が局所変形前の状態に戻ることにより発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力が液室５０ａに連通するノズル５０ａ付近の部分に生じて、液滴８１がそのノズル５０ａから噴射される。
【００９５】
このように、本実施例の液滴噴射装置２００においては、駆動電圧を印加した時に、第１の領域３００と第２の領域３１０とが隣接されていて、図２３に示した従来例の液滴噴射装置４０１と比べて、駆動電界が印加される内部電極層２０、３０、４０間の距離が１／２以下になっている。また前記第１の領域３００と前記第２の領域３１０はともに、同じ方向に、厚みすべり効果の変形をするため、図２３に示した従来例の液滴噴射装置４０１と比べても、液室５０に対する体積変化はほぼ同じである。従って、本実施例の液滴噴射装置２００においては従来例に比べて駆動電圧は約１／２に低減することができるのである。
【００９６】
さらに、一対の境界部内部電極層３０、３０の個所を接地（グランド）し、中央部内部電極層２０を正極電圧に印加し、端部内部電極層４０、４０の個所を負極電圧に印加することで、電源装置の低圧化を図ることができる。
【００９７】
なお、本発明における境界部内部電極層３０は、第１の領域３００のための電極層と一対の第２の領域３１０、３１０のための電極とに分けて形成してもよいが、実施形態のように両領域３００，３１０で共通使用（兼用）することができる。同様に、端部内部電極層４０、４０についても、隣接するインク室５０、５０における第２の領域３１０、３１０のための電極として兼用させることができ、さらに、第１の領域３００を、中央内部電極層２０を挟んで対称状に形成するために、当該中央内部電極層２０を分割しないで連続兼用することができ、これらの構成により、圧電トランスデューサ１００のサイズを一層小型化することができる。
【００９８】
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において数々の変形を加えることもできる。例えば、インク室のアレイ方向の幅、配置のピッチ、圧電トランスデューサである積層圧電素子の積層枚数、内部電極層の幅、配置位置など必要に応じて変形することができる。
【００９９】
【発明の効果】
上述したように、請求項１に記載の発明の圧電トランスデューサは、１枚の圧電セラミックス層乃至複数枚の積層された圧電セラミックス層と、該圧電セラミックス層の面に沿う方向に間隔をおいて配置された複数の電極とを備え、該複数の電極のうち一部の複数の電極からなる第１群の電極間に挟まれた前記圧電セラミックス層の第１の領域と、該第１の領域の両側に位置する複数の電極からなる第２群の電極の間に挟まれる圧電セラミックス層の一対の第２の領域とを形成し、該第２の領域を、該第２群内の電極が対向する方向と直交する方向に分極してなり、各群の電極に駆動電圧を印加することにより、前記一対の第２の領域にそれぞれ分極方向と直交する駆動電界を生じさせて該各第２の領域を圧電厚みすべり効果により、前記第１の領域の全体を一方に偏倚させるように傾斜変位させ、且つ前記第１の領域を、該変位した前記一対の第２の領域の間の空間を増大する方向に変位させることを特徴とするものである。
【０１００】
このような構成の圧電トランスデューサによれば、第１群の電極と第２群の電極とに同時に駆動電圧を印加すると、第１の領域を挟む一対の第２の領域の圧電セラミックス層の部分が厚みすべり効果により、前記第１の領域の全体を一方に偏倚させるように傾斜変位し、さらに第１の領域自体も前記一対の第２の領域の間の空間を増大する方向に変位させることができ、従来の圧電トランスデューサよりも駆動電圧が低電圧で効率良く大きな変位を実現させることができるという効果を奏する。
【０１０１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域は、前記第１群内の電極が対向する方向に分極され、各電極に駆動電圧を印加することにより、前記変位した両第２の領域間で、前記第１の領域に分極方向と平行に生じた駆動電界により該第１の領域を圧電縦効果の変位をさせるものであるから、前記第１群内の電極と第２群の電極とに同時に駆動電圧を印加させると、一対の第２の領域にそれぞれ分極方向とほぼ直交する電界を生じさせて該各第２の領域を圧電厚みすべり効果の変位をさせ、かつ、該変位した両第２の領域間で、前記第１の領域に分極方向と平行に生じた電界により該第１の領域を圧電縦効果の変位をさせる。このように、一対の第２の領域が厚みすべり変形をするのを、その間の第１の領域の縦効果変形がさらに助けることで、低電圧で効率よく大きな変位を実現することができるという効果を奏する。
【０１０２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域は、圧電セラミックス層の面に沿う方向に間隔を置いた複数個の電極にて挟まれ、対称に分極された偶数個の部分からなるものであるから、第１群の電極に駆動電圧を印加すると、第１の領域の圧電縦効果による変形が当該第１群における中央の電極部を中心にして対称状に変位するので、低電圧で効率の良い大きな変位を実現させることができるという効果を奏する。
【０１０３】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域と第２の領域との境界部に位置する電極は、前記第１の領域及び第２の領域に対するそれぞれの一方の電極を兼ねるものであるから、第１の領域と第２の領域とを交互に形成したとき、第１の領域と第２の領域との間に配置される電極は、第１群の電極と第２群の電極とを兼ねることができ、第１の領域と第２の領域と間隔を短縮できて圧電トランスデューサのサイズを小型化できると共に、兼用の電極に駆動電圧を印加することで、複数対の第１の領域と第２の領域とを同時に変位させることもできるという効果を奏する。
【０１０４】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域は、圧電セラミックス層の面に沿う方向に間隔を置いた奇数個の電極にて挟まれ、各電極が対向する方向とほぼ直交する方向に分極され、前記各電極間に駆動電圧を印加することにより、前記第１の領域に分極方向と垂直な方向に駆動電界を生じさせ、前記各電極に挟まれる各部分をそれぞれ圧電厚みすべり効果の変位をさせることを特徴とする。
【０１０５】
このように構成された圧電トランスデューサでは、前記第１群内の電極と第２群の電極とに同時に駆動電圧を印加させると、一対の第２の領域にそれぞれ分極方向とほぼ直交する電界を生じさせて該各第２の領域を圧電厚みすべり効果の変位をさせ、かつ、該変位した両第２の領域間で、前記第１の領域もその中央部の電極位置を中心にして奇数個の電極に対称状に駆動電圧を印加することで、対称状の圧電厚みすべり効果の変位を実現させることができ、低電圧で圧電トランスデューサの変位を効率良く且つ大きく実現させることができるという効果を奏する。
【０１０６】
そして、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域と第２の領域との境界部に位置する電極は、該両領域にそれぞれ駆動電圧を印加するように兼用され、前記第１の領域の分極方向は、前記第２の領域の分極方向に対して１８０°反転されており、前記両領域に発生させる駆動電界の向きを、前記境界部分の電極に対して対称としたものであるから、第１の領域と第２の領域を同時に駆動するときに、第１の領域の分極方向と第２の領域の分極方向は１８０°反転方向であり、また第１の領域に印加する電界方向と第２の領域の分極方向も互いに１８０°反転方向であるので、第１の領域と第２の領域の、圧電厚みすべり効果の変位は同一方向となり、第１の領域のと第２の領域が互いに変位を助けるため、低電圧で効率よく大きな変位を実現することができるという効果を奏する。
【０１０７】
請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の圧電トランスデューサにおいて、前記第１の領域と第２の領域との境界部に位置する電極は、該両領域にそれぞれ駆動電圧を印加するように兼用され、前記第１の領域の分極方向は前記第２の領域の分極方向と同方向であり、前記両領域に発生させる駆動電界の向きは、同方向であることを特徴とするものである。
【０１０８】
このように構成された圧電トランスデューサでは、第１の領域と第２の領域との電極に同時に駆動電圧を印加すると、第１の領域及び第２の領域が共に同一方向に圧電厚みすべり効果の変位をすることができ、駆動電界を印加する電極間の距離（間隔）が短くても、必要な変形量を得ることができる。また、必要な変形量を得るために駆動電圧を低くすることができる。さらに境界部分に位置する電極の駆動電圧を印加のために兼用することで、圧電トランスデューサのサイズを小型化することができるという効果も奏する。
【０１０９】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電トランスデューサおいて、圧電トランスデューサの上下両面は研摩面からなることを特徴とするものであるから、分極による圧電トランスデューサの歪をなくして、その表面に装着する部材の密着性を良くし、また圧電トランスデューサの動作を均一にできるという効果を奏する。
【０１１０】
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の圧電トランスデューサおいて、前記各群の電極は、各圧電セラミックス層間に介挿され、且つ圧電セラミックス層の積層方向と同方向に積層状をなしており、積層方向の電極に同じ電位が印加されることを特徴とするものである。従って、圧電セラミックス層の積層数や各積層厚さにより、各圧電セラミックス層間に介挿される各群の電極の対向する範囲を変更させることができる一方、各圧電セラミックス層の層厚さとは別に各電極層の厚さを設定することができる。さらに、異符号極電極間での放電作用を無くすることができ、圧電トランスデューサの破壊が起こらず、圧電トランスデューサの信頼性が高くなるという効果を奏する。
【０１１１】
そして、請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれかの圧電トランスデューサを複数の液室に跨って配置し、選択的に各液室の容積を変化させることにより該液室内の液体を噴射する液滴噴射装置において、前記各液室の中央位置に、前記第１の領域を対応配置し、各液室の中央よりも両端寄りに、前記第２の領域を対応配置したものであるから、短い間隔にて液室配置しても、第１領域及び第２領域を同時に大きく変位させて液滴噴出のための必要な圧力を低電圧で効率良く発生させることができ、駆動電源のコストを低減できるという効果を奏する。また、圧電トランスデューサの圧電セラミックス層内に駆動のための電極が内装されているので、液室の液体と電極との接触による電極の腐食が確実に防止できる。
【０１１２】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の液滴噴射装置において、前記第２の領域を挟む複数の電極のうち、前記第１の領域とは反対側の電極は、前記各液室を隔てる隔壁に対応して位置するものであり、このように設定することで、隣接する各液室に対して、第１の領域を中央にして一対の第２の領域で挟んだ変形領域を形成でき、各液室毎の性能を一定にして液滴噴射装置の性能を安定させることができるという効果を奏する。
【０１１３】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の液滴噴射装置において、前記駆動電圧を印加したとき、前記圧電トランスデューサの一対の第２の領域は前記液室の容積を増大する方向に変形し、かつ前記第１の領域は両第２の領域の間の容積を増大する方向に変形することを特徴とするものであり、これにより、低電圧で効率良く液滴を噴射できる液滴噴射装置を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のインク噴射装置を示す断面図である。
【図２】第１実施形態のインク噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、セラミックスグリーンシートを積層する様子を示す斜視図である。
【図３】第１実施の形態のインク噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、焼結した積層圧電素子を示す斜視図である。
【図４】第１実施の形態のインク噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、第１の分極工程を示す断面図である。
【図５】第１実施の形態のインク噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、焼結した積層圧電素子に外部電極を設けた様子を示す斜視図である。
【図６】第１実施の形態のインク噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、第２の分極工程を示す断面図である。
【図７】第１実施の形態のインク噴射装置の動作を説明する図であり、圧電トランスデューサが局所変形している状態を示す断面図である。
【図８】第１実施の形態のインク噴射装置の動作を説明する図であり、インク液滴が噴射した状態を示す断面図である。
【図９】第２実施形態のインク噴射装置を示す断面図である。
【図１０】第２実施の形態のインク噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、第１の分極工程を示す断面図である。
【図１１】第２実施の形態のインク噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、第２の分極工程を示す断面図である。
【図１２】第２実施の形態のインク噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、上下両面の分極電極除去工程を示す断面図である。
【図１３】第２実施の形態のインク噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、分極工程の別実施例を示す断面図である。
【図１４】第２実施形態の液滴噴射装置の動作を説明する図であり、初期の状態を示す図である。
【図１５】第２実施形態の液滴噴射装置の動作を説明する図であり、圧電トランスデューサが局所変形している状態を示す断面図である。
【図１６】第２実施形態の液滴噴射装置の動作を説明する図であり、液滴が噴射した状態を示す断面図である。
【図１７】第３実施形態の液滴噴射装置を示す断面図である。
【図１８】第３実施形態の液滴噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、分極工程を示す断面図である。
【図１９】第３実施形態の液滴噴射装置に係る圧電トランスデューサの製造工程を示す図であり、分極電極の除去工程を示す断面図である。
【図２０】第３実施形態の液滴噴射装置の動作を説明する図であり、初期の状態を示す断面図である。
【図２１】第３実施形態の液滴噴射装置の動作を説明する図であり、圧電トランスデューサが局所変形している状態を示す断面図である。
【図２２】第３実施形態の液滴噴射装置の動作を説明する図であり、液滴が噴射した状態を示す断面図である。
【図２３】従来例のインク噴射装置の動作を説明する図であり、圧電トランスデューサが局所変形している状態の断面図である。
【図２４】従来例のインク噴射装置の動作を説明する図であり、液滴が噴射した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０圧電セラミックス層
２０中央部内部電極層
３０境界部内部電極層
４０端部内部電極層
５０インク室（液室）
６０インク室形成部材
７０スペーサ部材
８０ノズル
９０ノズルプレート
１００圧電トランスデューサ
２００インク噴射装置
１８０、１９０、３２０、３３０分極方向
２１０第１の分極方向
２２０第２の分極方向
２５０、２６０駆動電界の方向
３００第１の領域
３１０第２の領域

Claims

１枚の圧電セラミックス層乃至複数枚の積層された圧電セラミックス層と、該圧電セラミックス層の面に沿う方向に間隔をおいて配置された複数の電極とを備え、
該複数の電極のうち一部の複数の電極からなる第１群の電極間に挟まれた前記圧電セラミックス層の第１の領域と、該第１の領域の両側に位置する複数の電極からなる第２群の電極の間に挟まれる圧電セラミックス層の一対の第２の領域とを形成し、該第２の領域を、該第２群内の電極が対向する方向と直交する方向に分極してなり、
各群の電極に駆動電圧を印加することにより、前記一対の第２の領域にそれぞれ分極方向と直交する駆動電界を生じさせて該各第２の領域を圧電厚みすべり効果により、前記第１の領域の全体を一方に偏倚させるように傾斜変位させ、且つ前記第１の領域を、該変位した前記一対の第２の領域の間の空間を増大する方向に変位させることを特徴とする圧電トランスデューサ。
前記第１の領域は、前記第１群内の電極が対向する方向に分極され、各電極に駆動電圧を印加することにより、前記変位した両第２の領域間で、前記第１の領域に分極方向と平行に生じた駆動電界により該第１の領域を圧電縦効果の変位をさせることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
前記第１の領域は、圧電セラミックス層の面に沿う方向に間隔を置いた複数個の電極にて挟まれ、対称に分極された偶数個の部分からなることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランスデューサ。
前記第１の領域と第２の領域との境界部に位置する電極は、前記第１の領域及び第２の領域に対するそれぞれの一方の電極を兼ねることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電トランスデューサ。
前記第１の領域は、圧電セラミックス層の面に沿う方向に間隔を置いた奇数個の電極にて挟まれ、各電極が対向する方向と直交する方向に分極され、前記各電極間に駆動電圧を印加することにより、前記第１の領域に分極方向と垂直な方向に駆動電界を生じさせ、前記各電極に挟まれる各部分をそれぞれ圧電厚みすべり効果の変位をさせることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
前記第１の領域と第２の領域との境界部に位置する電極は、該両領域にそれぞれ駆動電圧を印加するように兼用され、
前記第１の領域の分極方向は、前記第２の領域の分極方向に対して１８０°反転されており、
前記両領域に発生させる駆動電界の向きは、前記隣接部分の電極に対して対称であることを特徴とする請求項５に記載の圧電トランスデューサ。
前記第１の領域と第２の領域との境界部に位置する電極は、該両領域にそれぞれ駆動電圧を印加するように兼用され、
前記第１の領域の分極方向は前記第２の領域の分極方向と同方向であり、
前記両領域に発生させる駆動電界の向きは、同方向であることを特徴とする請求項５に記載の圧電トランスデューサ。
圧電トランスデューサの上下両面は研摩面からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の圧電トランスデューサ。
前記各群の電極は、各圧電セラミックス層間に介挿され、且つ圧電セラミックス層の積層方向と同方向に積層状をなしており、積層方向の電極に同じ電位が印加されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の圧電トランスデューサ。
請求項１から９のいずれかの圧電トランスデューサを複数の液室に跨って配置し、選択的に各液室の容積を変化させることにより該液室内の液体を噴射する液滴噴射装置において、
前記各液室の中央位置に、前記第１の領域を対応配置し、各液室の中央よりも両端寄りに、前記第２の領域を対応配置したことを特徴とする液滴噴射装置。
前記第２の領域を挟む複数の電極のうち、前記第１の領域とは反対側の電極は、前記各液室を隔てる隔壁に対応して位置することを特徴とする請求項１０に記載の液滴噴射装置。
前記駆動電圧を印加したとき、前記圧電トランスデューサの一対の第２の領域は前記液室の容積を増大する方向に変形し、かつ前記第１の領域は両第２の領域の間の容積を増大する方向に変形することを特徴とする請求項１０に記載の液滴噴射装置。