JP4404105B2 - 圧電アクチュエータ、及び、この圧電アクチュエータを備えた液体噴射装置 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電アクチュエータ、及び、この圧電アクチュエータを備えた液体噴射装置に関する。
従来から、電界が作用したときの圧電層の変形（圧電歪）を利用して、種々の対象物を駆動する圧電アクチュエータが知られている。例えば、特許文献１には、ノズル及び圧力室を含む、インクジェットヘッドの流路ユニットの表面に配置されて、この流路ユニットに形成された圧力室内のインクに噴射圧力を付与する、インクジェットヘッド用の圧電アクチュエータが開示されている。この圧電アクチュエータは、流路ユニットの一表面に複数の圧力室を覆うように接合された、金属製の振動板と、この振動板に積層された圧電層と、圧電層の表面の、圧力室中央部と対向する領域に形成された個別電極とを有する、いわゆる、ユニモルフ構造のアクチュエータである。
ここで、圧電層はその厚み方向に分極されている。そして、個別電極と金属製の振動板（共通電極）との間に所定の駆動電圧が印加されたときには、両者に挟まれた圧電層の内部に、分極方向である厚み方向と平行な電界が作用する。すると、圧電層は、分極方向である厚み方向に伸び、分極方向に直交する面方向に収縮する。このとき、この圧電層の面方向に関する収縮変形に伴って、圧力室と対向する領域において振動板が圧力室側に凸となるように変形する（ユニモルフ変形）。これにより、圧力室内の容積が減少し、圧力室内のインクに圧力が付与されることになる。
特許文献１に記載されているような、従来のユニモルフ構造の圧電アクチュエータにおいては、駆動効率が低いという問題があった。即ち、所望の噴射圧力をインクに付与するのに必要な、所定量の変形を振動板に生じさせるために、個別電極と振動板の間に高い駆動電圧（電位差）を印加する必要があり、その結果、アクチュエータの消費電力が高くなるという問題が生じていた。
本発明の目的は、より駆動効率の高い圧電アクチュエータ、及び、このようなアクチュエータを備えた液体噴射装置を提供することである。
第１の発明の圧電アクチュエータは、基材の一表面に配置される振動板であって、前記基材の前記一表面における前記振動板の変形を許容する変形許容領域を覆った状態で、前記一表面の前記変形許容領域の周囲領域に接合される振動板と、前記振動板の片面の、少なくとも前記変形許容領域と対向する領域に積層された圧電層と、前記圧電層の一方の面の、前記変形許容領域と対向する領域のうちの一部領域に配置された第１電極と、前記圧電層の他方の面に、前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、前記圧電層の前記一方の面、又は、前記他方の面の、平面視で前記第１電極と重ならない領域に配置された第３電極とを備え、
前記圧電層の、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分は、前記圧電層の厚み方向に平行な分極成分を有するように分極されるとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分は、少なくとも一部が前記変形許容領域に対向し、前記圧電層の面方向に平行な分極成分を有するように分極されており、
さらに、前記第１電極の電位と、前記第２電極の電位及び前記第３電極の電位とが異なるときに、前記圧電層の前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分に、前記圧電層の厚み方向に平行な電界が発生するとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分に、前記圧電層の面方向に平行な電界が発生するように構成されていることを特徴とするものである。
前記圧電層の、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分は、前記圧電層の厚み方向に平行な分極成分を有するように分極されるとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分は、少なくとも一部が前記変形許容領域に対向し、前記圧電層の面方向に平行な分極成分を有するように分極されており、
さらに、前記第１電極の電位と、前記第２電極の電位及び前記第３電極の電位とが異なるときに、前記圧電層の前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分に、前記圧電層の厚み方向に平行な電界が発生するとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分に、前記圧電層の面方向に平行な電界が発生するように構成されていることを特徴とするものである。
圧電層の変形許容領域と対向する領域に設けられた３種類の電極のうち、第１電極と第２電極は圧電層の両面にそれぞれ配置されて相対向している。また、第１電極と第３電極は、圧電層の面方向に関して異なる領域に配置されている。そのため、第１電極の電位が、第２電極の電位、及び、第３電極の電位とは異なっている状態では、圧電層の第１電極と第２電極に挟まれる部分において厚み方向に平行な電界が生じるとともに、第１電極と第３電極との間において面方向に平行な電界が生じる。
さらに、第１電極と第２電極との間においては、圧電層は厚み方向に分極されていることから、この部分においては電界と分極の方向が共に厚み方向となり、この厚み方向に伸びて面方向に縮む。一方、第１電極と第３電極との間においては、圧電層は面方向に分極されていることから、この部分においては電界と分極の方向が共に面方向となり、この面方向に伸びて厚み方向に縮む。
このように、基材の変形許容領域と対向する領域のうち、第１電極と第２電極に挟まれる領域と、圧電層の面方向に関して第１電極と第３電極の間の領域に、異なる変形をそれぞれ生じさせることができる。これにより、第１電極と、第２電極及び第３電極との間の電位差を低く抑えつつ、振動板を大きく変形させることが可能となる。即ち、圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。
第２の発明の圧電アクチュエータは、前記第１の発明において、前記第２電極は、前記圧電層の前記他方の面において、前記第１電極と対向する領域内に収まるように配置されていることを特徴とするものである。このように、第２電極が、第１電極よりも一回り小さい形状に形成され、第１電極と対向する領域内に収まるように配置されていることから、第１電極から第２電極へ向かう電界が面方向に広がって、第１電極と第３電極との間に生じる面方向に平行な電界と干渉するのが極力防止される。
第３の発明の圧電アクチュエータは、前記第１又は第２の発明において、前記振動板は金属材料からなり、前記振動板と前記圧電層の間に絶縁材料層が介在していることを特徴とするものである。このように、振動板と圧電層の間に絶縁材料層が介在していることにより、３つの電極によって生じる電界とは別の外部電界が、振動板を通って圧電層に印加されるのが防止される。
第４の発明の圧電アクチュエータは、前記第１〜第３の何れかの発明において、前記第１電極が配置される前記一部領域が、前記変形許容領域の中央部と対向する領域であり、
前記第３電極が配置される前記残り領域が、前記一部領域を囲む前記変形許容領域の周縁部と対向する領域であることを特徴とするものである。
前記第３電極が配置される前記残り領域が、前記一部領域を囲む前記変形許容領域の周縁部と対向する領域であることを特徴とするものである。
この構成によれば、変形許容領域の中央部と対向する領域において、圧電層が面方向に収縮するとともに、その周囲の、変形許容領域の周縁部と対向する領域において、圧電層が面方向に伸びる。これにより、第１電極の電位と、第２電極の電位及び第３電極の電位との電位差を低く抑えつつ、振動板を、圧力室側へ大きく凸となるように変形させることが可能となる。
第５の発明の圧電アクチュエータは、前記第１〜第３の何れかの発明において、前記第１電極が配置される前記一部領域が、前記変形許容領域の周縁部と対向する領域であり、
前記第３電極が配置される前記残り領域が、前記一部領域に囲まれた前記変形許容領域の中央部と対向する領域であることを特徴とするものである。
前記第３電極が配置される前記残り領域が、前記一部領域に囲まれた前記変形許容領域の中央部と対向する領域であることを特徴とするものである。
この構成によれば、変形許容領域の周縁部と対向する領域において、圧電層が面方向に収縮するとともに、その内側の、変形許容領域の中央部と対向する領域において、圧電層が面方向に伸びる。これにより、第１電極の電位と、第２電極の電位及び第３電極の電位との電位差を低く抑えつつ、振動板を圧力室と反対側へ大きく凸となるように変形させることが可能となる。
尚、第３電極は、第１電極とともに前記圧電層の前記一方の面に配置されていてもよい（第６の発明）。あるいは、第３電極は、第２電極とともに前記圧電層の前記他方の面に配置されていてもよい（第７の発明）。これらの構成によれば、第３電極を、第１電極、あるいは、第２電極と同時に形成することが可能となる。
第８の発明の圧電アクチュエータは、前記第１〜第７の何れかの発明において、前記第１電極は、その電位が、所定の基準電位とこの基準電位とは異なる駆動電位との間で切換えられるように構成され、前記第２電極の電位と前記第３電極の電位は、前記基準電位に常に保持されていることを特徴とするものである。このように、第２電極と第３電極の電位を、常に、第１電極の基準電位と同じ電位に保持することで、３種類の電極に印加される電位の種類を少なくすることができ、電源や配線等といった電送系のコストを低減することが可能となる。
第９の発明の圧電アクチュエータは、前記第１〜第８の何れかの発明において、前記第１電極と前記第３電極が、前記圧電層の面方向に沿って、間隔を空けて交互に配置されていることを特徴とするものである。このように、第１電極と第３電極が、圧電層の面方向に沿って交互に配置されることで、第１電極と第３電極の面方向間隔が狭まり、これら第１電極と第３電極との間の圧電層に生じる面方向の電界が強くなる。従って、この部分の圧電層をより大きく変形させることが可能となる。
第１０の発明の圧電アクチュエータは、基材の一表面に配置される振動板であって、前記基材の前記一表面における前記振動板の変形を許容する変形許容領域を覆った状態で、前記一表面の前記変形許容領域の周囲領域に接合される振動板と、前記振動板の片面の、少なくとも前記変形許容領域と対向する領域に積層された圧電層と、前記圧電層の一方の面の、前記変形許容領域の中央部と対向する領域に配置された第１電極と、前記圧電層の他方の面に、前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、前記圧電層の前記一方の面、又は、前記他方の面の、前記第１電極の周囲に配置された第３電極とを備え、
前記圧電層の、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分は、少なくとも一部が前記変形許容領域に対向し、前記圧電層の厚み方向に平行な分極成分を有するように分極されるとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分は、前記圧電層の面方向に平行な分極成分を有するように分極されており、
さらに、前記第１電極の電位と、前記第２電極の電位及び前記第３電極の電位とが異なるときに、前記圧電層の前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分に、前記圧電層の厚み方向に平行な電界が発生するとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分に、前記圧電層の面方向に平行な電界が発生するように構成されていることを特徴とするものである。
前記圧電層の、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分は、少なくとも一部が前記変形許容領域に対向し、前記圧電層の厚み方向に平行な分極成分を有するように分極されるとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分は、前記圧電層の面方向に平行な分極成分を有するように分極されており、
さらに、前記第１電極の電位と、前記第２電極の電位及び前記第３電極の電位とが異なるときに、前記圧電層の前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分に、前記圧電層の厚み方向に平行な電界が発生するとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分に、前記圧電層の面方向に平行な電界が発生するように構成されていることを特徴とするものである。
この構成によれば、圧電層の圧力室と対向する領域の、第１電極と第２電極に挟まれる領域と、圧電層の面方向に関して第１電極と第３電極の間の領域に、異なる変形をそれぞれ生じさせることができる。これにより、第１電極と、第２電極及び第３電極との間の電位差を低く抑えつつ、振動板を大きく変形させることができる。つまり、圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。
第１１の発明の液体噴射装置は、その一表面において開口した圧力室及び前記圧力室に連通するノズルを含む液体流路が形成された流路ユニットと、前記流路ユニットの一表面に配置される圧電アクチュエータを備え、前記圧電アクチュエータを駆動させて前記圧力室内の液体に圧力を付与することで、前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射装置であって、
前記圧電アクチュエータは、前記流路ユニットの一表面に、前記圧力室を覆うように接合される振動板と、前記振動板の片面の、少なくとも前記圧力室と対向する領域に積層された圧電層と、前記圧電層の一方の面の、前記圧力室と対向する領域のうちの一部領域に配置された第１電極と、前記圧電層の他方の面に、前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、前記圧電層の前記一方の面、又は、前記他方の面の、平面視で前記第１電極と重ならない領域に配置された第３電極と、を有し、
前記圧電層の、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分は、前記圧電層の厚み方向に平行な分極成分を有するように分極されるとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分は、少なくとも一部が前記圧力室に対向し、前記圧電層の面方向に平行な分極成分を有するように分極されており、
さらに、前記第１電極の電位と、前記第２電極の電位及び前記第３電極の電位とが異なるときに、前記圧電層の前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分に、前記圧電層の厚み方向に平行な電界が発生するとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分に、前記圧電層の面方向に平行な電界が発生するように構成されていることを特徴とするものである。
前記圧電アクチュエータは、前記流路ユニットの一表面に、前記圧力室を覆うように接合される振動板と、前記振動板の片面の、少なくとも前記圧力室と対向する領域に積層された圧電層と、前記圧電層の一方の面の、前記圧力室と対向する領域のうちの一部領域に配置された第１電極と、前記圧電層の他方の面に、前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、前記圧電層の前記一方の面、又は、前記他方の面の、平面視で前記第１電極と重ならない領域に配置された第３電極と、を有し、
前記圧電層の、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分は、前記圧電層の厚み方向に平行な分極成分を有するように分極されるとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分は、少なくとも一部が前記圧力室に対向し、前記圧電層の面方向に平行な分極成分を有するように分極されており、
さらに、前記第１電極の電位と、前記第２電極の電位及び前記第３電極の電位とが異なるときに、前記圧電層の前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分に、前記圧電層の厚み方向に平行な電界が発生するとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分に、前記圧電層の面方向に平行な電界が発生するように構成されていることを特徴とするものである。
この構成によれば、圧電層の圧力室と対向する領域のうち、第１電極と第２電極に挟まれる領域と、圧電層の面方向に関して第１電極と第３電極の間の領域に、互いに異なる変形をそれぞれ生じさせることができるため、第１電極と、第２電極及び第３電極との間の電位差を低く抑えつつ、振動板を大きく変形させることができる。つまり、圧電アクチュエータの駆動効率が高くなり、低い駆動電圧で高い圧力を液体に付与することが可能となる。
本発明によれば、圧電層の圧力室と対向する領域のうち、圧電層の両面にそれぞれ配置された第１電極と第２電極に挟まれる領域と、圧電層の面方向に関して第１電極と第３電極の間に位置する領域に、異なる変形をそれぞれ生じさせることができる。そのため、第１電極と、第２電極及び第３電極との間の電圧を低く抑えつつ、振動板を大きく変形させることが可能となる。即ち、駆動効率の高い圧電アクチュエータが得られる。
次に、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態は、液体噴射装置として、ノズルへインクを移送し、さらに、ノズルから記録用紙に向けてインクを噴射するインクジェットヘッドに本発明を適用した一例である。
まず、本実施形態のインクジェットヘッド１を備えたインクジェットプリンタ１００について簡単に説明する。図１に示すように、インクジェットプリンタ１００は、図１の左右方向に移動可能なキャリッジ２と、このキャリッジ２に設けられ、記録用紙Ｐに対してインクを噴射するシリアル型のインクジェットヘッド１と、記録用紙Ｐを図１の前方へ搬送する搬送ローラ３を備えている。
インクジェットヘッド１は、キャリッジ２と一体的に図１の左右方向へ移動しつつ、図示しないインクカートリッジから供給されたインクを、その下面に配置されたノズル２０（図２〜図６参照）から記録用紙Ｐに対してインクを噴射する。また、搬送ローラ３は、記録用紙Ｐを図１の前方へ搬送する。そして、インクジェットプリンタ１００は、インクジェットヘッド１のノズル２０から記録用紙Ｐへインクを噴射させながら、搬送ローラ３により記録用紙Ｐを前方へ搬送させることで、記録用紙Ｐに所望の画像や文字等を記録するように構成されている。
次に、インクジェットヘッド１について詳細に説明する。図２〜図５に示すように、インクジェットヘッド１は、ノズル２０及び圧力室１４を含むインク流路が形成された流路ユニット４と、圧力室１４内のインクに圧力を付与することにより、流路ユニット４のノズル２０からインクを噴射させる圧電アクチュエータ５とを備えている。
まず、流路ユニット４について説明する。図４、図５に示すように、流路ユニット４はキャビティプレート１０、ベースプレート１１、マニホールドプレート１２、及びノズルプレート１３を備えており、これら４枚のプレート１０〜１３が積層状態で接合されている。このうち、キャビティプレート１０、ベースプレート１１及びマニホールドプレート１２はステンレス鋼等からなる金属プレートであり、これら３枚のプレート１０〜１２に、後述するマニホールド１７や圧力室１４等のインク流路をエッチングにより容易に形成することができるようになっている。また、ノズルプレート１３は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート１２の下面に接着される。あるいは、このノズルプレート１３も、キャビティプレート１０、ベースプレート１１及びマニホールドプレート１２と同様に、ステンレス鋼等からなる金属プレートであってもよい。
図２〜図５に示すように、４枚のプレート１０〜１３のうち、最も上方に位置するキャビティプレート１０には、平面に沿って配列された複数の圧力室１４がプレート１０を上下に貫通する孔により形成されている。また、図５に示すように、隣接する圧力室１４は隔壁部１０ａにより隔てられている。各圧力室１４は、平面視で走査方向（図２の左右方向）に長い、略楕円形状に形成されている。また、複数の圧力室１４は、紙送り方向（図２の上下方向）に千鳥状に２列に配列されている。
キャビティプレート１０に形成された複数の圧力室１４の下部はベースプレート１１により覆われて、これら複数の圧力室１４は流路ユニット４の上面においてそれぞれ開口している。さらに、後述する圧電アクチュエータ５の振動板３０が流路ユニット４の上面に接合されることによって、複数の圧力室１４が、上方から圧電アクチュエータ５に覆われた構造となっている。
図３、図４に示すように、ベースプレート１１の、平面視で圧力室１４の両端部と重なる位置には、それぞれ連通孔１５，１６が形成されている。また、マニホールドプレート１２には、平面視で、２列に配列された圧力室１４の連通孔１５側の部分と重なるように、紙送り方向に延びる２つのマニホールド１７が形成されている。これら２つのマニホールド１７は、後述する振動板３０に形成されたインク供給口１８に連通しており、図示しないインクタンクからインク供給口１８を介してマニホールド１７へインクが供給される。さらに、マニホールドプレート１２の、平面視で複数の圧力室１４のマニホールド１７と反対側の端部と重なる位置には、複数の連通孔１６にそれぞれ連なる複数の連通孔１９が形成されている。
さらに、ノズルプレート１３の、平面視で複数の連通孔１９に重なる位置には、複数のノズル２０がそれぞれ形成されている。図２に示すように、複数のノズル２０は、紙送り方向に沿って２列に配列された複数の圧力室１４の、マニホールド１７と反対側の端部とそれぞれ重なるように配置されている。つまり、複数のノズル２０は、複数の圧力室１４とそれぞれ対応して千鳥状に２列に配列されている。
そして、図４に示すように、マニホールド１７は連通孔１５を介して圧力室１４に連通し、さらに、圧力室１４は、連通孔１６，１９を介してノズル２０に連通している。このように、流路ユニット４内には、マニホールド１７から圧力室１４を経てノズル２０に至る個別インク流路２１が複数形成されている。
次に、圧電アクチュエータ５について説明する。図２〜図６に示すように、圧電アクチュエータ５は、複数の圧力室１４を覆うようにキャビティプレート１０の上面に配置された振動板３０と、この振動板３０の上面を覆う絶縁材料層３７と、絶縁材料層３７で覆われた振動板３０の上面に配置された圧電層３１と、圧電層３１の上面に配置された電極（第１電極３２）及び電極（第３電極３６）と、圧電層３１の下面（絶縁材料層３７と圧電層３１の間）に配置された電極（第２電極３４）とを備えている。
振動板３０は、平面視で略矩形状の金属板であり、例えば、ステンレス鋼等の鉄系合金、銅系合金、ニッケル系合金、あるいは、チタン系合金などからなる。図４、図５に示すように、この振動板３０は、キャビティプレート１０の上面に複数の圧力室１４を覆うように配設された状態で、その下面がキャビティプレート１０の隔壁部１０ａ（圧力室１４の周囲領域）に接合されている。尚、振動板３０が接合されるキャビティプレート１０が本願発明の基材に相当し、また、キャビティプレート１０に形成された圧力室１４が本願発明の変形許容領域に相当する。
絶縁材料層３７は、導電性を有する振動板３０の上面の、複数の圧力室１４と対向する領域に形成されている。この絶縁材料層３７は、例えば、ポリイミド等の合成樹脂材料や、アルミナやジルコニア等の絶縁性セラミックス材料により形成することができる。
圧電層３１は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料からなる。この圧電層３１は、絶縁材料層３７が形成された振動板３０の上面に、複数の圧力室１４を覆うように形成されている。この圧電層３１は、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）、スパッタ法、蒸着法、ゾルゲル法、水熱合成法等を用いて、振動板３０の上面に積層することができる。または、未焼成のグリーンシートを焼成することにより得られた圧電シートを、絶縁材料層３７で覆われた振動板３０の上面に貼り付けることにより、圧電層３１を形成してもよい。
次に、圧電層３１の上下両面に配置された、第１電極３２、第２電極３４、及び、第３電極３６について、詳細に説明する。
図２〜図５に示すように、圧電層３１の上面の、複数の圧力室１４の中央部と対向する領域には、複数の第１電極３２がそれぞれ配置されている。そして、複数の第１電極３２は、複数の圧力室１４にそれぞれ対応して、千鳥状に２列に配列されている。また、各第１電極３２は、圧力室１４よりも一回り小さい略楕円形の平面形状を有する。さらに、圧電層３１の上面には、複数の第１電極３２の一端部からそれらの長手方向に沿って、圧力室１４と対向しない領域までそれぞれ引き出された、複数の接点部３５も形成されている。
複数の接点部３５は、複数の第１電極３２を覆うように配設されるフレキシブルプリント配線板（Flexible Printed Circuit：ＦＰＣ）を介して、図示しないドライバＩＣと接続されている。そして、このドライバＩＣによって、第１電極３２の電位が、グランド電位（基準電位）と、このグランド電位とは異なる所定の駆動電位の、２種類の電位の間で切換えられるようになっている。
さらに、圧電層３１の上面の、第１電極３２と接点部３５が形成された領域を除く、ほぼ全域に第３電極３６が形成されている。言い換えれば、第３電極３６は、各圧力室１４の周縁部と対向する領域（接点部３５が形成された領域を除く）において、第１電極３２に対して面方向に離間し、且つ、この第１電極３２を囲うように形成されている。さらに、第３電極３６の、複数の圧力室１４（第１電極３２）とそれぞれ対向する部分は互いに導通している。また、図示はされていないが、この第３電極３６は、前述したＦＰＣと電気的に接続されており、さらに、このＦＰＣを介してドライバＩＣと接続されている。そして、第３電極３６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。
一方、圧電層３１の下面（絶縁材料層３７の表面）の複数の圧力室１４との対向領域には、複数の第１電極３２とそれぞれ対向する複数の第２電極３４が配置されている。そして、これら複数の第２電極３４も、複数の圧力室１４にそれぞれ対応して、千鳥状に２列に配列されている。また、複数の第２電極３４は、絶縁材料層３７によって金属材料からなる振動板３０と絶縁されている。
図２、図３、図６に示すように、各第２電極３４は、対応する第１電極３２よりもさらに一回り小さい略楕円形の平面形状を有し、第１電極３２と対向する領域内に収まるように配置されている。また、各第２電極３４の長手方向一端部（ノズル２０側に位置する、図２の左右方向中央側の端部）からは、その第２電極３４よりも幅の短い配線部３８が、第２電極３４の長手方向に沿って、図２の左右方向（走査方向）に関する中央部まで引き出されている。そして、図２に示すように、複数の第２電極３４からそれぞれ引き出された複数の配線部は、２列の第２電極３４の間において紙送り方向に延在する配線部３９と接続されている。さらに、この配線部３９は、流路ユニット４の長手方向一端部（図２の上端部）表面の、圧電層３１が形成されていない領域まで引き出されて露出しており、この露出した端部に接点部４０が設けられている。
そして、この接点部４０が、前述したＦＰＣに接続されることによって、複数の第２電極３４がＦＰＣを介してドライバＩＣに接続されている。また、複数の第２電極３４は、第３電極３６と同じく、ドライバＩＣにより常にグランド電位に保持されている。
尚、第１電極３２、接点部３５、第２電極３４、及び、第３電極３６は、それぞれ、金、銅、銀、パラジウム、白金、あるいは、チタンなどの導電性材料からなり、スクリーン印刷法、スパッタ法、あるいは、蒸着法等により形成される。さらに、第１電極３２、接点部３５、及び、第３電極３６は、全て圧電層３１の上面に配置されるものであるため、これらをスクリーン印刷等により同時に形成することが可能である。
以上説明したように、圧電層３１の、圧力室１４の中央部と対向する部分の上下面に第１電極３２と第２電極３４がそれぞれ配置されて、第１電極３２と第２電極３４が相対向している。そのため、第１電極３２に正の駆動電位が印加されたときには、図７に示すように、第１電極３２と、常にグランド電位に保持された第２電極３４との間に挟まれた部分（以下、第１駆動部４１ともいう）には、厚み方向に平行な、下向きの電界Ｅ１が生じる。
また、圧電層３１の、圧力室１４の周縁部と対向する部分の上面に、第３電極３６が配置されている。そのため、第１電極３２に駆動電位が印加されたときには、図７に示すように、第１電極３２と、常にグランド電位に保持された第３電極３６との間に位置する部分（以下、第２駆動部４１ともいう）には、面方向に平行な、圧力室１４の外側に向かう電界Ｅ２が生じる。
さらに、圧電層３１の、相対向する第１電極３２と第２電極３４に挟まれた第１駆動部４１と、面方向に関して第１電極３２と第３電極３６の間に位置する第２駆動部４２とでは、分極方向も異なっている。具体的には、図７に示すように、圧電層３１の第１駆動部４１は、圧電層３１の厚み方向に平行な（電界Ｅ１と平行な）、下向きの分極成分Ａ１を有するように分極されている。一方、圧電層３１の第２駆動部４２は、圧電層３１の面方向に平行な（電界Ｅ２と平行な）、圧力室１４の外側に向かう分極成分Ａ２を有するように分極されている。このような圧電層３１の分極状態は、第１電極３２と、第２電極３４及び第３電極３６との間に、駆動時における電位差（駆動電位とグランド電位の電位差）よりも高い電位差を印加して、第１駆動部４１と第２駆動部４２にそれぞれ強い電界を作用させることにより、実現することができる。
次に、インク噴射時における圧電アクチュエータ５の作用について説明する。
あるノズル２０からインクの液滴を噴射する場合には、このノズル２０に連通する圧力室１４に対応する第１電極３２に、ドライバＩＣから駆動電位が印加される。
あるノズル２０からインクの液滴を噴射する場合には、このノズル２０に連通する圧力室１４に対応する第１電極３２に、ドライバＩＣから駆動電位が印加される。
すると、図７に示すように、圧電層３１の第１駆動部４１において、駆動電位が印加された第１電極３２と、グランド電位に保持されている第２電極３４との間に電位差が生じ、第１駆動部４１に厚み方向に平行な（下向きの）電界Ｅ１が作用する。また、この第１駆動部４１は、厚み方向と平行な分極成分Ａ１を有するように分極されている。従って、第１駆動部４１においては、電界方向と分極方向が同じ方向となるため、図７に二点鎖線で示すように、第１駆動部４１は厚み方向に伸びて面方向に収縮する。この第１駆動部４１の収縮変形に伴って、振動板３０の圧力室１４と対向する部分が圧力室１４側に凸となるように変形する（ユニモルフ変形）。
これに加えて、圧電層３１の第２駆動部４２において、駆動電位が印加された第１電極３２と、グランド電位に保持されている第３電極３６との間に電位差が生じ、図７に示すように、第２駆動部４２に、面方向に平行な（圧力室１４の外側へ向く）電界Ｅ２が作用する。また、この第２駆動部４２は、面方向と平行な分極成分Ａ２を有するように分極されている。従って、第２駆動部４２においては、電界方向と分極方向とが同じ方向になるため、図７に二点鎖線で示すように、第２駆動部４２は、面方向に伸びて厚み方向に収縮する。このように、圧力室１４の中央部に対向する第１駆動部４１が面方向に収縮するのに加えて、さらに、その周囲の第２駆動部４２が面方向に伸びることで、振動板３０の凸状変形（圧力室１４側への変位）がより一層大きくなる。
尚、前述したように、第２電極３４は、第１電極３２よりも一回り小さい形状に形成され、圧電層３１の下面において第１電極３２と対向する領域内に収まるように配置されている。従って、第１電極３２から第２電極３４へ向かう電界Ｅ１が面方向に広がって、第１電極３２と第３電極３６との間に生じる面方向に平行な電界Ｅ２と干渉するのが防止される。
また、振動板３０と圧電層３１との間に絶縁材料層３７が介在していることから、３種類の電極３２，３４，３６によって生じる電界Ｅ１，Ｅ２とは別の外部電界が、下方から振動板３０を通って圧電層３１に印加されて、電界Ｅ１，Ｅ２と干渉するのが防止される。
以上のようにして振動板３０が圧力室１４側へ凸に変形すると、圧力室１４の容積が減少することになり、圧力室１４内のインクに圧力が付与される。そして、この圧力室１４に連通するノズル２０からインクの液滴が噴射されることになる。
以上説明した本実施形態のインクジェットヘッド１によれば、次のような効果が得られる。
第１電極３２に駆動電位が印加されると、圧電層３１の圧力室１４と対向する部分のうち、圧力室１４の中央部と対向する第１駆動部４１に、面方向に関する収縮変形が生じると同時に、その周囲の第２駆動部４２に面方向に関する伸張変形が生じる。このように、第１駆動部４１と第２駆動部４２に互いに異なる変形をそれぞれ生じさせることで、振動板３０をより一層大きく変形させることができる。つまり、第１電極３２と、第２電極３４及び第３電極３６との間の電位差を低く抑えつつ、振動板３０を大きく変形させることが可能となり、圧電アクチュエータ５の駆動効率が向上する。
第１電極３２に駆動電位が印加されると、圧電層３１の圧力室１４と対向する部分のうち、圧力室１４の中央部と対向する第１駆動部４１に、面方向に関する収縮変形が生じると同時に、その周囲の第２駆動部４２に面方向に関する伸張変形が生じる。このように、第１駆動部４１と第２駆動部４２に互いに異なる変形をそれぞれ生じさせることで、振動板３０をより一層大きく変形させることができる。つまり、第１電極３２と、第２電極３４及び第３電極３６との間の電位差を低く抑えつつ、振動板３０を大きく変形させることが可能となり、圧電アクチュエータ５の駆動効率が向上する。
また、第１電極３２の電位がグランド電位（基準電位）と駆動電位の間で切換えられる一方で、第２電極３４と第３電極３６の電位は、ともに、第１電極３２の基準電位であるグランド電位に保持される。これにより、３種類の電極３２，３４，３６に印加する電位の種類を少なくして、電源や配線等の電送系にかかるコストを低減することが可能となる。
次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
１］前記実施形態では、第３電極３６は、圧電層３１下面の、圧力室１４の周縁部と対向する領域まで形成されている（図７参照）。しかし、第１電極３２の周囲領域に面方向に平行な電界を生じさせることが可能であれば、第３電極３６が圧力室１４と対向する位置にある必要は必ずしもない。即ち、図８に示すように、第３電極３６は、第１電極３２の周囲領域で、且つ、圧力室１４の縁よりもさらに外側の領域（圧力室１４を区画する隔壁部１０ａと対向する領域）にのみ形成されていてもよい（変更形態１）。
２］図９に示すように、第１電極３２と第３電極３６が圧電層３１の下面に配置されて、第２電極３４が圧電層３１の上面に配置されてもよい（変更形態２）。この場合、第１電極３２と第２電極３４との間に挟まれる圧電層３１の第１駆動部４１は上向きの分極成分Ａ１を有するように分極されている。そして、第１電極３２に駆動電位が印加されて、第１駆動部４１には上向きの電界Ｅ１が作用すると、電界方向と分極方向が等しくなることから、この第１駆動部４１は厚み方向に伸びて面方向に収縮する。
一方、面方向に関して第１電極３２と第３電極３６との間に位置する、圧電層３１の第２駆動部４２は、圧力室１４の外側に向いた分極成分Ａ２を有するように分極されている。そして、第１電極３２に駆動電位が印加されたときに、圧力室１４外側向きの電界Ｅ２が作用すると、電界方向と分極方向が等しくなることから、この第２駆動部４２は面方向に伸びて厚み方向に収縮する。以上のように、第１駆動部４１と第２駆動部４２に互いに異なる変形が生じることから、図９に二点鎖線で示すように、振動板３０及び圧電層３１が、圧力室１４側に凸となるように大きく変形することになる。
３］第１電極３２と第３電極３６が、圧電層３１の異なる面にそれぞれ配置されてもよい。例えば、図１０に示すように、第１電極３２が圧電層３１の上面に配置され、一方、第３電極３６が、第２電極３４と同じく圧電層３１の下面に配置されていてもよい（変更形態３）。この場合には、第２電極３４と第３電極３６とを、スクリーン印刷等の方法を用いて、圧電層３１の下面に同時に形成することが可能となる。
この変更形態３の構成において、面方向に関して第１電極３２と第３電極３６の間に位置する、圧電層３１の第２駆動部４２は面方向に平行な分極成分Ａ２を有するように分極されている。そして、第１電極３２に駆動電位が印加されると、第２駆動部４２には、面方向に平行な、圧力室１４の外側に向かう電界Ｅ２が作用するため、電界方向と分極方向が等しくなり、面方向に伸張する。従って、この変更形態３においても、前記実施形態と同様の作用・効果が得られる。
４］図１１に示すように、駆動電位が印加される第１電極３２（３２ａ，３２ｂ）と、グランド電位に保持される第３電極３６（３６ａ，３６ｂ）が、圧電層３１の面方向に沿って、間隔を空けて交互に配置されていてもよい（変更形態４）。ここで、交互に配置された第１電極３２（３２ａ，３２ｂ）と第３電極３６（３６ａ，３６ｂ）の間にそれぞれ位置する圧電層３１の部分（第２駆動部４２ａ〜４２ｃ）には、面方向に平行な分極成分（Ａ２ａ〜Ａ２ｃ）をそれぞれ有するように分極されている。但し、隣接する第２駆動部４２間では、分極方向は互いに逆になっている。そして、第１電極３２に駆動電位が印加されると、第１電極３２と第３電極３６との間に位置する複数の第２駆動部４２ａ〜４２ｃのそれぞれにおいて、面方向に平行な分極成分Ａ２ａ〜Ａ２ｃと方向の等しい電界Ｅ２ａ〜Ｅ２ｃが生じ、これら第２駆動部４２ａ〜４２ｃがそれぞれ面方向に伸張して厚み方向に収縮する。
この変更形態４によれば、前記実施形態と比べて、第１電極３２と第３電極３６の面方向間隔が狭まることから、これら第１電極３２と第３電極３６との間に位置する複数の第２駆動部４２ａ〜４２ｃのそれぞれに作用する、面方向の電界Ｅ２ａ〜Ｅ２ｃが強くなる。従って、第２駆動部４２ａ〜４２ｃをより大きく変形させることができ、圧電アクチュエータの駆動効率を一層高めることが可能になる。
５］図１２に示すように、圧電層３１の、圧力室１４の周縁部と対向する領域の両面に第１電極５２と第２電極５４が配置されるとともに、圧力室１４の中央部と対向する領域に、第３電極５６が配置されていてもよい（変更形態５）。
第１電極５２と第２電極５４に挟まれた、圧電層３１の圧力室１４の周縁部と対向する部分（第１駆動部６１）は、厚み方向に平行な、下向きの分極成分Ａ３を有するように分極されている。また、面方向に関して第１電極５２と第３電極５６との間に位置する、圧力室１４中央側の部分（第２駆動部６２）は、面方向に平行な、圧力室１４の外側に向かう分極成分Ａ４を有するように分極されている。
そして、第１電極５２に駆動電位が印加されると、圧力室１４の周縁部と対向する第１駆動部６１には、厚み方向に平行な、下向きの電界Ｅ３が作用し、第１駆動部６１は厚み方向に伸びて面方向に収縮する。一方、圧力室１４の中央側に位置する第２駆動部６２には、面方向に平行な、圧力室１４外側に向かう電界Ｅ４が作用し、第２駆動部６２は面方向に伸びて厚み方向に収縮する。このように、第１駆動部６１を面方向に収縮させるとともに、第２駆動部６２を面方向に伸張させることで、図１２の二点鎖線で示すように、振動板３０を、圧力室１４と反対側に凸となるように、大きく変形させることができる。
６］第１電極と第２電極に挟まれる第１駆動部に、厚み方向と平行な電界を作用させるとともに、第１電極と第３電極の間に位置する第２駆動部に、面方向と平行な電界を作用させることが可能であれば、３種類の電極へ印加する電位の組み合わせは、前記実施形態のものに限られない。例えば、第２電極と第３電極の電位は異なっていてもよい。あるいは、第１電極に、第２電極、及び、第３電極の電位よりも低い電位が印加されることにより、第１駆動部及び第２駆動部に電界が作用するように構成されていてもよい。
７］前記実施形態では、振動板３０が金属材料で形成されていることから、この振動板３０と、圧電層３１の下面に配置される電極（第２電極３４）との間に、振動板３０と電極３４との間を絶縁する絶縁材料層３７が介装されている（図７参照）。しかし、振動板が絶縁性材料（例えば、ポリイミド等の合成樹脂材料、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料）で形成されている場合など、振動板の上面が絶縁性を有する面である場合には、絶縁材料層は不要である。また、このように、振動板自身が絶縁性を有する場合には、３種類の電極によって生じる電界とは別の外部電界が、振動板を通って圧電層に印加されるのが確実に防止される。
以上、本発明の実施の形態として、圧力室内のインクに噴射圧力を付与する、インクジェットヘッドの圧電アクチュエータに本発明を適用した例を挙げて説明したが、本発明の適用対象は、これに限られるものではない。例えば、マイクロ総合分析システム（μＴＡＳ）内部で薬液や生化学溶液等の液体を移送する液体移送装置、マイクロ化学システム内部で溶媒や化学溶液等の液体を移送する液体移送装置等の、液体移送アクチュエータとしての圧電アクチュエータにも本発明を適用することができる。
さらに、本発明の適用対象は、インクなどの液体に圧力を付与するためのアクチュエータに限られない。即ち、基材の変形許容領域において積層体の変形を許容しつつ、その積層体の変形により種々の対象物を押圧駆動するアクチュエータなど、液体噴射以外の用途に用いられる圧電アクチュエータにも本発明を適用することが可能である。
１ インクジェットヘッド
４ 流路ユニット
５ 圧電アクチュエータ
１４ 圧力室
３０ 振動板
３１ 圧電層
３２ 第１電極
３４ 第２電極
３６ 第３電極
３７ 絶縁材料層
５２ 第１電極
５４ 第２電極
５６ 第３電極
４ 流路ユニット
５ 圧電アクチュエータ
１４ 圧力室
３０ 振動板
３１ 圧電層
３２ 第１電極
３４ 第２電極
３６ 第３電極
３７ 絶縁材料層
５２ 第１電極
５４ 第２電極
５６ 第３電極
Claims (11)
- 基材の一表面に配置される振動板であって、前記基材の前記一表面における前記振動板の変形を許容する変形許容領域を覆った状態で、前記一表面の前記変形許容領域の周囲領域に接合される振動板と、
前記振動板の片面の、少なくとも前記変形許容領域と対向する領域に積層された圧電層と、
前記圧電層の一方の面の、前記変形許容領域と対向する領域のうちの一部領域に配置された第１電極と、
前記圧電層の他方の面に、前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、
前記圧電層の前記一方の面、又は、前記他方の面の、平面視で前記第１電極と重ならない領域に配置された第３電極と、を備え、
前記圧電層の、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分は、前記圧電層の厚み方向に平行な分極成分を有するように分極されるとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分は、少なくとも一部が前記変形許容領域に対向し、前記圧電層の面方向に平行な分極成分を有するように分極されており、
さらに、前記第１電極の電位と、前記第２電極の電位及び前記第３電極の電位とが異なるときに、前記圧電層の前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分に、前記圧電層の厚み方向に平行な電界が発生するとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分に、前記圧電層の面方向に平行な電界が発生するように構成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記第２電極は、前記圧電層の前記他方の面において、前記第１電極と対向する領域内に収ま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。
- 前記振動板は金属材料からなり、
前記振動板と前記圧電層の間に絶縁材料層が介在していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。 - 前記第１電極が配置される前記一部領域が、前記変形許容領域の中央部と対向する領域であり、前記第３電極が配置される前記残り領域が、前記一部領域を囲む前記変形許容領域の周縁部と対向する領域であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第１電極が配置される前記一部領域が、前記変形許容領域の周縁部と対向する領域であり、前記第３電極が配置される前記残り領域が、前記一部領域に囲まれた前記変形許容領域の中央部と対向する領域であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第３電極が、前記第１電極とともに前記圧電層の前記一方の面に配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第３電極が、前記第２電極とともに前記圧電層の前記他方の面に配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の圧電アクチュエータ。
- 前記第１電極は、その電位が、所定の基準電位とこの基準電位とは異なる駆動電位との間で切換えられるように構成され、
前記第２電極の電位と前記第３電極の電位は、前記基準電位に常に保持されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の圧電アクチュエータ。 - 前記第１電極と前記第３電極が、前記圧電層の面方向に沿って、間隔を空けて交互に配置されていることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の圧電アクチュエータ。
- 基材の一表面に配置される振動板であって、前記基材の前記一表面における前記振動板の変形を許容する変形許容領域を覆った状態で、前記一表面の前記変形許容領域の周囲領域に接合される振動板と、
前記振動板の片面の、少なくとも前記変形許容領域と対向する領域に積層された圧電層と、
前記圧電層の一方の面の、前記変形許容領域の中央部と対向する領域に配置された第１電極と、
前記圧電層の他方の面に、前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、
前記圧電層の前記一方の面、又は、前記他方の面の、前記第１電極の周囲に配置された第３電極と、を備え、
前記圧電層の、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分は、前記圧電層の厚み方向に平行な分極成分を有するように分極されるとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分は、少なくとも一部が前記変形許容領域に対向し、前記圧電層の面方向に平行な分極成分を有するように分極されており、
さらに、前記第１電極の電位と、前記第２電極の電位及び前記第３電極の電位とが異なるときに、前記圧電層の前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分に、前記圧電層の厚み方向に平行な電界が発生するとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分に、前記圧電層の面方向に平行な電界が発生するように構成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - その一表面において開口した圧力室及び前記圧力室に連通するノズルを含む液体流路が形成された流路ユニットと、前記流路ユニットの一表面に配置される圧電アクチュエータを備え、前記圧電アクチュエータを駆動させて前記圧力室内の液体に圧力を付与することで、前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射装置であって、
前記圧電アクチュエータは、
前記流路ユニットの一表面に、前記圧力室を覆うように接合される振動板と、
前記振動板の片面の、少なくとも前記圧力室と対向する領域に積層された圧電層と、
前記圧電層の一方の面の、前記圧力室と対向する領域のうちの一部領域に配置された第１電極と、
前記圧電層の他方の面に、前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、
前記圧電層の前記一方の面、又は、前記他方の面の、平面視で前記第１電極と重ならない領域に配置された第３電極と、を有し、
前記圧電層の、前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分は、前記圧電層の厚み方向に平行な分極成分を有するように分極されるとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分は、少なくとも一部が前記圧力室に対向し、前記圧電層の面方向に平行な分極成分を有するように分極されており、
さらに、前記第１電極の電位と、前記第２電極の電位及び前記第３電極の電位とが異なるときに、前記圧電層の前記第１電極と前記第２電極に挟まれた部分に、前記圧電層の厚み方向に平行な電界が発生するとともに、前記圧電層の、その面方向に関して前記第１電極と前記第３電極の間に位置する部分に、前記圧電層の面方向に平行な電界が発生するように構成されていることを特徴とする液体噴射装置。
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