JP4831051B2 - 画像記録装置、圧電アクチュエータ、及び、液体噴射ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、駆動源としての圧電素子の変形によって圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることでノズル開口から液滴を吐出する液体噴射ヘッドを備えた画像記録装置、圧電素子を振動板表面に形成してなる圧電アクチュエータ、及び、圧電素子を圧力室とは反対側の振動板表面に設け、この圧電素子によって圧力室容積を変化させる液体噴射ヘッドに関する。

圧電素子は、圧電効果を示す圧電材料である、BaTiO3、PbZrO3、PbTiO3などの金属酸化物の粉末を圧縮焼成した圧電セラミックス、または高分子化合物を利用した圧電性高分子膜などから成る電気エネルギーの供給によって変形するものであり、例えば、液体噴射ヘッド、マイクロポンプ、発音体（スピーカ等）用の駆動素子として広く用いられている。ここで、液体噴射ヘッドは、圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることでノズル開口から液滴を吐出させるものであり、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレーの製造に用いられる液晶噴射ヘッド、カラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド等がある。また、マイクロポンプは、極く微量の液体を扱うことができる超小型のポンプであり、例えば、極く少量の薬液を送出する際に用いられる。

このような液体噴射ヘッドやマイクロポンプに用いられる重要な部品の一つに、振動板の表面に圧電素子を設けた圧電アクチュエータがある。この圧電アクチュエータは圧力室となる空部を有する圧力室形成基板に取り付けられ、圧力室の一部を振動板で区画する。そして、液滴を吐出したり、液体を送出したりする際には、圧電素子に駆動パルスを供給してこの圧電素子及び振動板（即ち、圧力室の変形部分）を変形させ、圧力室の容積を変化させる。

これらの液体噴射ヘッドやマイクロポンプにおいては、圧電素子の高周波駆動に対する強い要請がある。これは、液滴の高周波吐出を実現したり、送液能力を高めたりするためである。そして、圧電素子の高周波駆動を実現するためには、上記変形部分のコンプライアンスを従来よりも小さくし、且つ、圧電素子の変形量を従来よりも大きくする必要がある。これは、変形部分のコンプライアンスを小さくすると応答性が向上するため、従来よりも高い周波数での駆動が可能となること、及び、圧電素子の変形量を大きくすると圧力室の容積変化量が大きくなるため、吐出される液滴の量や送出される液体の量を増やすことができることによる。

そして、変形部分のコンプライアンスと圧電素子の変形量の相反する特性を充足するものとして、多層構造の圧電素子が提案されている。例えば、圧電体層を上層圧電体と下層圧電体の２層構造とし、上層圧電体と下層圧電体の境界に駆動電極（個別電極）を形成すると共に、上層圧電体の外表面と下層圧電体の外表面とにそれぞれ共通電極を形成した構造の圧電素子が提案されている（例えば、特許文献１，２）。

上記多層構造の圧電素子では、上層圧電体と下層圧電体の境界に駆動電極が設けられているので、各層の圧電体には、駆動電極から各共通電極までの間隔（即ち、各層圧電体の厚さ）と、駆動電極と各共通電極の電位差とによって定まる強さの電場が付与される。このため、共通電極と駆動電極とで単層の圧電体を挟んだ単層構造の圧電素子と比べた場合、圧電素子全体の厚さを多少厚くして変形部分のコンプライアンスを小さくしても、従来と同じ駆動電圧で大きく変形させることができる。

特開平２−２８９３５２号公報（第６頁，第５図） 特開平１０−３４９２４号公報（第５頁，第９図）

しかしながら、上記多層構造の圧電素子を単に用いただけでは、近年の高い要請に応え得る程度の特性は得られなかった。このため、実際の製品としては、単層の圧電体を共通電極と駆動電極とで挟んだ単層構造の圧電素子を用いることを余儀なくされている。これには種々の原因が考えられるが、圧電素子における変形の安定性や変形量が不十分であったこともその要因と考えられる。また、製造効率や製品の信頼性が不十分であったことも要因と考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、多層構造の圧電素子の変形効率を高めることにある。

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、圧電素子は、電場に応じて変形する圧電体層と該圧電体層に付与される電場を発生する電極層とを備え、
前記圧電体層は、互いに積層された上層圧電体と下層圧電体とを含み、前記電極層は、互いに導通された共通上電極及び共通下電極と、駆動信号の供給源に導通される駆動電極とから構成され、
前記振動板側から、共通下電極、下層圧電体、駆動電極、上層圧電体、共通上電極の順にそれぞれ積層して形成し、
前記共通上電極を上層圧電体の幅方向一端から他端まで一連に形成し、
前記共通上電極を前記共通下電極よりも幅広に設けたことを特徴とする。
ここで、「上、下」とあるのは、振動板を基準とした位置関係を示している。即ち、振動板から近い側を「下」とし、振動板から遠い側を「上」として示している。

この構成によれば、圧電体層は、互いに積層された上層圧電体と下層圧電体とを含むと共に、電極層は、互いに導通された共通上電極及び共通下電極と、駆動信号の供給源に導通される駆動電極とから構成され、振動板側から、共通下電極、下層圧電体、駆動電極、上層圧電体、共通上電極の順にそれぞれ積層して形成し、共通上電極を上層圧電体の幅方向一端から他端まで一連に形成したので、上層圧電体を全体的に撓ませることができ、圧電素子の変形効率を向上させることができる。また、共通上電極を共通下電極よりも幅広に設けたので、上層圧電体の変形範囲を下層圧電体の変形範囲よりも広くすることができ、これにより、上層圧電体を下層圧電体よりも大きく変形させることができる。そして、上層圧電体の変形を増幅して振動板に作用させることができ、その結果、圧力室の幅方向中央を大きく変形させることができる。

また、上記構成において、前記共通上電極を前記駆動電極よりも幅広に設けることが望ましい。

この構成によれば、上層圧電体によって駆動電極を確実に覆うことができる。これにより、駆動電極と共通電極とが短絡してしまう不具合を確実に防止できるし、空中放電による不具合も防止できる。

さらに、上記構成において、前記共通上電極を前記共通下電極および前記駆動電極よりも薄くする構成を採用することが望ましい。
そして、この構成において前記共通上電極を金で作製する一方、前記共通下電極および前記駆動電極を白金で作製することが望ましい。

上記構成によれば、共通上電極を圧電素子に追従させて変形させることができ、圧電素子の変形量が損なわれてしまう不具合を防止できる。また、圧電素子の変形が繰り返し行われても断線等の故障が生じ難い。さらに、共通上電極を通じて電流を効率よく流すことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、プリンタやプロッタ等の画像記録装置に搭載される記録ヘッド（液体噴射ヘッドの一種）を例に挙げて説明する。この記録ヘッドは、例えば、図５に示すように、複数個のヘッド本体１を備え、これらのヘッド本体１を取付ベース６１に取り付けて構成されている。

まず、ヘッド本体１の基本構造について説明する。図１に示すように、このヘッド本体１は、流路ユニット２とアクチュエータユニット３とから概略構成されている。

流路ユニット２は、インク供給口（オリフィス）４となる通孔及びノズル連通口５の一部となる通孔を開設した供給口形成基板６と、共通インク室７となる通孔及びノズル連通口５の一部となる通孔を開設したインク室形成基板８と、ノズル開口９を副走査方向（即ち、記録ヘッドの移動方向である主走査方向に直交する方向）に沿って複数開設したノズルプレート１０から構成されている。これらの供給口形成基板６、インク室形成基板８、及び、ノズルプレート１０は、例えば、ステンレス製の薄板をプレス加工することで作製されている。そして、この流路ユニット２は、インク室形成基板８の一方の表面（図中下側）にノズルプレート１０を、他方の表面（同上側）に供給口形成基板６をそれぞれ配置し、これらの供給口形成基板６、インク室形成基板８、及び、ノズルプレート１０を接合することで作製される。例えば、シート状の接着剤によって各部材６，８，１０を接着することで作製される。

上記のノズル開口９は、図２に示すように、所定ピッチで複数個列状に開設される。そして、列設された複数のノズル開口９によってノズル列１１が構成される。例えば、９２個のノズル開口９で１つのノズル列１１が構成される。そして、このノズル列１１が横並びに２列形成される。

アクチュエータユニット３は、ヘッドチップとも呼ばれる部材である。このアクチュエータユニット３は、圧力室１２となる通孔（或いは空部）を開設した圧力室形成基板１３と、圧力室１２の一部を区画する振動板１４と、供給側連通口１５となる通孔及びノズル連通口５の一部となる通孔を開設した蓋部材１６と、駆動源としての圧電素子１７とによって構成される。これら各部材１３，１４，１６の板厚に関し、圧力室形成基板１３、及び、蓋部材１６は、好ましくは５０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上である。また、振動板１４は、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３〜１２μｍ程度である。

なお、このアクチュエータユニット３において、振動板１４と圧電素子１７が本発明の圧電アクチュエータを構成する。また、振動板１４は、圧電素子１７が設けられる支持部材の一種である。

そして、このアクチュエータユニット３は、圧力室形成基板１３の一方の表面に蓋部材１６を、他方の表面に振動板１４をそれぞれ配置して各部材を接合し、その後振動板１４の表面に圧電素子１７を形成することで作製される。これらの中で、圧力室形成基板１３、振動板１４、及び、蓋部材１６は、アルミナや酸化ジルコニウム等のセラミックスで作製されており、焼成によって接合される。

これらの圧力室形成基板１３、振動板１４、蓋部材１６の接合は、例えば次の手順で行われる。まず、セラミックス原料、バインダー及び液媒等によってセラミックスのスラリーを調整する。次に、ドクターブレード装置やリバースロールコーター装置等の一般的な装置を用いて、スラリーをグリーンシート（未焼成のシート材）に成形する。その後、このグリーンシートに対して切削や打ち抜き等の加工を施して必要な通孔等を形成し、圧力室形成基板１３、振動板１４、及び、蓋部材１６の各シート状前駆体を作製する。そして、各シート状前駆体を積層及び焼成することにより、各シート状前駆体を一体化して１枚のシート状部材を得る。この場合、各シート状前駆体は一体焼成されるので、特別な接着処理が不要である。また、各シート状前駆体の接合面において高いシール性を得ることもできる。

また、１枚のシート状部材には、複数ユニット分の圧力室１２やノズル連通口５等が形成されている。換言すれば、１枚のシート状部材から複数のアクチュエータユニット（ヘッドチップ）３を作製する。例えば、１つのアクチュエータユニット３となるチップ領域を、１枚のシート状部材内にマトリクス状に複数設定し、圧電素子１７等の必要な部材を各チップ領域毎に形成する。そして、必要な部材が形成されたシート状部材（セラミックスシート）をチップ領域毎に切断することで、複数のアクチュエータユニット３を得る。

上記の圧力室１２は、ノズル列１１とは直交する方向に細長い空部であり、ノズル開口９に対応する複数形成されている。即ち、図２に示すように、ノズル列方向に列設されている。そして、各圧力室１２の一端は、ノズル連通口５を通じて対応するノズル開口９に連通する。また、ノズル連通口５とは反対側の圧力室１２の他端は、供給側連通口１５及びインク供給口４を通じて共通インク室７に連通している。さらに、この圧力室１２の一部は、振動板１４によって区画されている。

上記の圧電素子１７は、所謂撓み振動モードの圧電素子であり、圧力室１２とは反対側の振動板表面に圧力室１２毎に形成されている。この圧電素子１７の幅は圧力室１２の幅を基準に定められ、長さは圧力室１２の長さよりも多少長い。即ち、圧電素子１７は、圧力室１２の長手方向を覆うように形成されている。この圧電素子１７は、例えば、図３に示すように、圧電体層３１と共通電極３２と駆動電極３３等によって構成される多層構造であり、駆動電極３３と共通電極３２とによって圧電体層３１を挟んでいる。なお、この圧電素子１７の詳細な構造については後で詳しく説明する。

上記の駆動電極３３には駆動信号の供給源（図示せず）が導通、即ち、電気的に接続される。また、共通電極３２は、例えば接地電位に調整される。そして、駆動電極３３に駆動信号が供給されると、駆動電極３３と共通電極３２との間には電位差に応じた強さの電場が発生する。この電場は圧電体層３１に付与されるので、圧電体層３１は付与された電場の強さに応じて変形する。即ち、駆動電極３３の電位を高くする程、圧電体層３１は電場と直交する方向に収縮し、圧力室１２の容積を少なくするように振動板１４を変形させる。一方、駆動電極３３の電位を低くする程、圧電体層３１は電界と直交する方向に伸長し、圧力室１２の容積を増やすように振動板１４を変形させる。

そして、このアクチュエータユニット３と上記の流路ユニット２とは、互いに接合される。例えば、供給口形成基板６と蓋部材１６との間にシート状接着剤を介在させ、この状態でアクチュエータユニット３を流路ユニット２側に加圧することで接着される。

このように構成されたヘッド本体１には、共通インク室７からインク供給口４、供給側連通口１５、圧力室１２、及び、ノズル連通口５を通じてノズル開口９に至る一連のインク流路がノズル開口９毎に形成されている。使用時において、このインク流路内はインク（液体の一種）で満たされており、圧電素子１７を変形させることで対応する圧力室１２が収縮或いは膨張し、圧力室１２内のインクに圧力変動が生じる。このインク圧力を制御することで、ノズル開口９からインク滴を吐出させることができる。例えば、定常容積の圧力室１２を一旦膨張させた後に急激に収縮させると、圧力室１２の膨張に伴ってインクが充填され、その後の急激な収縮によって圧力室１２内のインクが加圧されてインク滴が吐出される。

ここで、高速記録のためには、より多くのインク滴を短時間で吐出させる必要がある。この要求に応えるためには、圧力室１２を区画している部分の振動板１４及び圧電素子１７（即ち、圧力室１２における変形部分）のコンプライアンスと、圧電素子１７の変形量とを考慮する必要がある。即ち、上記変形部分のコンプライアンスが大きくなる程、変形に対する応答性が悪くなり、高い周波数での駆動が困難になるからである。また、コンプライアンスが小さくなる程、この変形部分が変形し難くなり、圧力室１２の収縮量が少なくなって１滴のインク量が減ってしまうからである。

このような観点から、既に実用化されている撓み振動モードの圧電素子を用いた記録ヘッドでは、圧電素子は単層の圧電体を共通電極と駆動電極とで挟んだ単層構造のものが用いられており、最大応答周波数は２５ｋＨｚ程度、最大インク滴量は１３ｐＬ（ピコリットル）程度であった。

そして、本実施形態では、多層構造の圧電素子１７を用いて変形部分のコンプライアンスを小さくし、さらに、この圧電素子１７の構造を改良することにより、圧電素子１７における変形の安定性を高めつつ、必要量のインク滴を効率よく吐出できるようにしている。以下、この点について説明する。

まず、圧電素子１７の構造について詳細に説明する。図３に示すように、圧電体層３１は、互いに積層された上層圧電体（外側圧電体）３４及び下層圧電体（内側圧電体）３５から構成される。また、共通電極３２は、共通上電極（共通外電極）３６及び共通下電極（共通内電極）３７から構成される。そして、この共通電極３２と駆動電極（個別電極）３３とが電極層を構成する。

なお、ここでいう「上（外）」或いは「下（内）」とは、振動板１４を基準とした位置関係を示している。換言すれば、圧電素子１７における振動板１４との接合面（圧電素子１７の変形を出力するための作用面と表現することもできる。）を基準とした位置関係を示している。そして、「上（外）」とあるのは振動板１４から遠い側を示し、「下（内）」とあるのは振動板１４に近い側を示している。

上記の駆動電極３３は、上層圧電体３４と下層圧電体３５の境界に形成され、共通下電極３７は下層圧電体３５と振動板１４との間に形成される。また、共通上電極３６は下層圧電体３５とは反対側の上層圧電体３４の表面に形成される。即ち、この圧電素子１７は、振動板１４側から、共通下電極３７、下層圧電体３５、駆動電極３３、上層圧電体３４、共通上電極３６の順で積層された多層構造である。そして、圧電体層３１の厚さは上層圧電体３４と下層圧電体３５の２層を合計して約２０μｍであり、共通電極３２を含めた圧電素子１７の全体の厚さは約２３μｍである。
なお、従来の単層構造の圧電素子１７にあっては、素子全体の厚さが約１５μｍである。従って、圧電素子１７の厚さが増したことから、その分だけ振動板１４のコンプライアンスが小さくなっている。

上記の共通上電極３６と共通下電極３７は、駆動信号に拘わらず一定の電位に調整される。本実施形態において、これらの共通上電極３６と共通下電極３７は互いに導通され、接地電位に調整される。また、駆動電極３３は、上記したように駆動信号の供給源に導通されているので、供給された駆動信号に応じて電位を変化させる。従って、駆動信号の供給によって、駆動電極３３と共通上電極３６との間、及び、駆動電極３３と共通下電極３７との間には、それぞれ向きが反対の電場が生じる。

そして、これらの各電極３３，３６，３７を構成する材料としては、例えば、金属単体、合金、電気絶縁性セラミックスと金属との混合物等の各種導体が選択されるが、焼成温度において変質等の不具合が生じないことが要求される。本実施形態では、共通上電極３６に金を用い、共通下電極３７及び駆動電極３３に白金を用いている。

上記の上層圧電体３４と下層圧電体３５は共に、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料によって作製されている。そして、上層圧電体３４と下層圧電体３５とは分極方向が反対である。このため、駆動信号印加時の伸縮方向が上層圧電体３４と下層圧電体３５とで揃い、支障なく変形することができる。即ち、上層圧電体３４及び下層圧電体３５は、駆動電極３３の電位を高くする程に圧力室１２の容積を少なくするように振動板１４を変形させ、駆動電極３３の電位を低くする程に圧力室１２の容積を増やすように振動板１４を変形させる。

そして、この多層構造の圧電素子１７の変形を安定させるべく、本実施形態では、図４に示すように、上層圧電体３４の厚さｔｐ１を、下層圧電体３５の厚さｔｐ２よりも厚くしている。例えば、上層圧電体３４の厚さｔｐ１を１２μｍとし、下層圧電体３５の厚さｔｐ２を８μｍとしている。このような構成とすることにより、必要な駆動電圧は圧電体層３１の厚さが厚くなった分だけ高くなるが、上層圧電体３４における変形の線形性、即ち、駆動信号の変化に対する追従性を良好にすることができる。従って、駆動時における圧電素子１７の変形を安定化できる。即ち、設計通りの形状に変形させることができる。これにより、圧力室１２の容積制御をより精密に行うことができるので、吐出特性の制御をより細かく行う用途、例えば、高品位印刷の用途に適する。

上記の駆動電極３３に関し、本実施形態では、上層圧電体３４を駆動電極３３よりも幅広（即ち、駆動電極３３の電極幅よりも広い幅）に設けており、この上層圧電体３４によって駆動電極３３をその全幅を越えて一連に覆っている。これは、空中放電等の不具合を防止するためである。即ち、駆動電極３３から共通上電極３６或いは共通下電極３７までの間隔は、上記したように数ミクロン〜十数ミクロン程度と極く狭い。また、各層圧電体３４，３５を駆動するためには、３０〜４０Ｖ程度の電圧を印加する必要がある。このため、駆動電極３３の幅方向両端部を各層圧電体３４，３５から露出させてしまうと、高温多湿の環境下では空中放電が生じる虞があり、動作異常の原因となり得る。また、製造時における短絡の要因ともなり得る。そして、本実施形態のように、上層圧電体３４によって駆動電極３３を覆う構成にすると、駆動電極３３が圧電体層３１内に埋設された状態になるので、空中放電が防止でき、誤動作の防止が図れる。また、製造時や使用時において、駆動電極３３が他の電極（共通上電極３６，共通下電極３７）に短絡してしまう不具合を防止することもできる。

また、図４中に拡大して示すように、圧電体層３１（下層圧電体３５）を、共通下電極３７の側縁を越えてオーバーハングさせた状態で設けている。そして、共通下電極３７は、圧力室１２の幅ｗｃよりも狭幅とされ、圧力室幅内に配設されている。これにより、振動板１４の幅方向両端部には、振動板１４のみの弾性領域Ｖｃ，Ｖｃが形成される。この弾性領域Ｖｃを設けることにより、振動板１４をより撓ませ易くすることができ、変形効率を高めることができる。

上記の共通上電極３６に関し、本実施形態では、他の電極（駆動電極３３，共通下電極３７）よりも薄く、柔軟性が高い電極材料を用いている。これは、この共通上電極３６が他の電極よりも大きく変形することによる。即ち、この共通上電極３６は、上層圧電体３４の表面に形成されているので、他の電極よりも大きく変形する。このため、共通上電極３６については、他の電極よりも柔らかい材料を用い、及び／又は、層厚を薄くすることで、変形の繰り返しによる破損を防止することができる。また、層厚を薄くしても電気抵抗が過度に高くならないように、導電性が良い電極材料を用いることが好ましい。

具体的に説明すると、電極材料に関しては、上記したように、共通上電極３６を金で作製し、駆動電極３３及び共通下電極３７を白金で作製している。そして、電極の厚さに関し、共通下電極３７及び駆動電極３３は２〜３μｍであるのに対し、共通上電極３６はその１／１０程度（例えば、０．３μｍ）にする。このように構成すると、共通上電極３６を圧電素子１７に追従させて変形させることができ、圧電素子１７の変形量が損なわれてしまう不具合を防止できる。また、圧電素子１７の変形が繰り返し行われても断線等の故障が生じ難い。さらに、共通上電極３６を通じて電流を効率よく流すことができる。

ところで、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。

図６に示す第１の変形例は、上層圧電体３４を圧力室１２の内寸法ｗｃよりも幅広に構成すると共に、共通上電極３６を共通下電極３７よりも幅広に構成し、共通上電極３６を上層圧電体３４の幅方向の全体に一連に形成した点に特徴を有している。

この変形例では、上層圧電体３４の幅ｗｐ１を、圧力室１２の内寸法ｗｃや下層圧電体３５の幅ｗｐ２よりも広く、且つ、圧力室隔壁３８の幅中央同士の間隔ｗｃ″（隔壁間隔ｗｃ″）よりも狭く形成している。さらに、この上層圧電体３４の幅方向中央を、圧力室１２の幅方向中央に合わせて形成している。言い換えれば、上層圧電体３４を、圧力室隔壁３８，３８の厚さ方向中央同士を結ぶ幅範囲（隔壁間隔ｗｃ″で示される範囲）よりも内側に形成している。これにより、隣り合う上層圧電体３４，３４同士の間に隙間を設けて、圧電素子１７，１７同士を互いに接触させることなく配設している。

また、共通上電極３６に関しては、その電極幅（形成幅）ｗｅ１を上層圧電体３４の幅ｗｐ１に揃えている。言い換えれば、共通上電極３６を上層圧電体３４の幅方向一端から他端に亘って一連に形成している。なお、この変形例の共通上電極３６においても、導電性が良く柔らかい電極材料である金を用い、この金を０．３μｍ程度の極く薄い層として形成している。
なお、他の部分の構成については上記した実施形態と同様であるので、同一の符号を付して示し、その説明は省略する。

この変形例では、上層圧電体３４の幅ｗｐ１が圧力室１２の幅方向の内寸法ｗｃよりも広く、共通上電極３６が上層圧電体３４の幅方向を覆うように形成されているので、駆動電極３３と共通上電極３６の間に発生される電場は、上層圧電体３４の幅方向全域に亘って作用する。これにより、上層圧電体３４を幅方向全域に亘って変形させることができる。そして、上層圧電体３４を圧力室幅（内寸法ｗｃ）よりも幅広に構成しているので、上層圧電体３４における幅方向中央部の変形量を上記実施形態に比べて大きくすることができる。従って、振動板１４に関し、圧力室１２の幅方向中央を大きく変形させることができ、圧電素子１７の変形を圧力室１２の容積変化に効率よく変えることができる。

また、共通上電極３６の電極幅ｗｅ１を上共通下電極３７の電極幅ｗｅ３よりも広く構成したことから、上層圧電体３４の変形範囲を下層圧電体３５の変形範囲よりも広くすることができる。即ち、幅方向中央部については、上層圧電体３４を下層圧電体３５よりも大きく変形させることができる。そして、上層圧電体３４の方が下層圧電体３５よりも振動板１４から遠いので、上層圧電体３４の変形を増幅して振動板１４に作用させることができる。従って、この点でも、圧力室１２の幅方向中央を大きく変形させることができる。

さらに、この構成では、駆動電極３３の幅を下層圧電体３５の幅まで広げることもできる。この様に、駆動電極３３の幅を広げると、電極同士の間に発生する電場を上記実施形態よりも強くすることができる。これにより、圧電素子１７を可及的に大きく変形させることが可能となり、圧力室１２の容積変化を可及的に大きくすることができる。
なお、本実施形態において、圧力室１２の内寸法ｗｃは１６０μｍであり、圧力室１２の形成ピッチ（図６中における符号ｗｃ″に相当する間隔）は２１０μｍであるため、上層圧電体３４の幅ｗｐ１を最大で圧力室１２の内寸法ｗｃの１．３倍程度まで広げることができる。

また、上層圧電体３４の幅ｗｐ１が下層圧電体３５の幅ｗｐ２よりも広いので、上層圧電体３４の形成を容易に行えるという利点も有する。即ち、この圧電素子１７を製造するには、まず、振動板１４上に共通下電極３７となる電極材料（例えば、白金）のペーストをマスクを介して所定パターンに塗布し、その後焼成する。共通下電極３７が形成されたならば、この共通下電極３７の上に下層圧電体３５となる圧電材料（例えば、ジルコン酸チタン酸鉛）のペーストをマスクを介して所定パターンに塗布し、塗布し、その後焼成する。以下、同様に塗布及び焼成を繰り返し行うことで、駆動電極３３、上層圧電体３４、共通上電極３６を順次形成する。

この形成工程において、上層圧電体３４を形成するためのマスクについては、各上層圧電体３４に対応するパターンを下層圧電体３５のパターンよりも幅広に形成できる。このため、マスクの位置合わせが比較的容易になる。これにより、製造の効率化が図れる。

さらに、上層圧電体３４の幅ｗｐ１が下層圧電体３５の幅ｗｐ２よりも広いので、上層圧電体３４によって駆動電極３３を確実に覆うことができる。これにより、駆動電極３３と共通電極３２とが短絡してしまう不具合を確実に防止できるし、空中放電による不具合も防止できる。

図７に示す第２の変形例は、下層圧電体３４についても圧力室１２の内寸法ｗｃよりも幅広に形成した点に特徴を有している。

この変形例では、下層圧電体３５の幅ｗｐ２を圧力室１２の内寸法ｗｃよりも広く形成している。このため、各部の幅を広い順に列記すると次の様になる。即ち、隔壁間隔ｗｃ″が最も広く、上層圧電体３４の幅ｗｐ１及び共通上電極３６の幅ｗｅ１が２番目に広い。そして、下層圧電体３５の幅ｗｐ２及び駆動電極３３の幅ｗｅ２が３番目に広く、圧力室１２の内寸法ｗｃが４番目に広い。さらに、共通下電極３７の幅ｗｅ３が最も狭い。
なお、この変形例においても、各部の幅方向中心は、圧力室１２の幅方向中心に合わせられている。また、上層圧電体３４の厚さｔｐ１は、下層圧電体３５の厚さｔｐ２よりも厚い。さらに、この他の部分については、上記した変形例と同様の構成であるので、同一の符号を付して示し、その説明は省略する。

そして、この変形例では、駆動電極３３の幅ｗｅ２が下層圧電体３５の幅に揃えられ、最大限幅広に設定されている。このため、各電極間に発生する電場をより強めることができ、圧電素子１７の変形を可及的に大きくできる。これにより、インク滴を効率よく吐出させることができる。また、この変形例でも共通上電極３６が上層圧電体３４の幅方向を覆うように形成されているので、上層圧電体３４における幅方向中央部の変形量を上記実施形態に比べて大きくすることができる。従って、この変形例でも、圧電素子１７の変形を圧力室１２の容積変化に効率よく変えることができる。加えて、上層圧電体３４の幅ｗｐ１が下層圧電体３５の幅ｗｐ２よりも広いので、上層圧電体３４によって駆動電極３３を確実に覆うことができる。これにより、駆動電極３３と共通電極３２とが短絡してしまう不具合を確実に防止できるし、空中放電による不具合も防止できる。

さらに、この変形例では、下層圧電体３５の幅ｗｐ２が圧力室１２の幅方向の内寸法ｗｃよりも広いので、弾性板１７における変形部分が圧電素子１７によって覆われた状態となる。このため、当該部分のコンプライアンスが上記実施形態よりも小さくなる。そして、コンプライアンスが小さくなったことで変形に対する応答性が向上し、圧電素子１７をより高い周波数で駆動することができる。その結果、インク滴の高周波吐出が実現できる。なお、この変形例では、下層圧電体３５の幅ｗｐ２を、上層圧電体３４の幅ｗｐ１よりも狭く設定しているが、上層圧電体３４の幅ｗｐ１と同じ幅にまで広げることもできる。

また、以上は、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッドを例に挙げて説明したが、本発明は、液晶噴射ヘッドや色材噴射ヘッド等といった他の液体噴射ヘッド、及びその圧電アクチュエータにも適用できる。さらに、マイクロポンプ用の圧電アクチュエータにも適用できる。

ヘッド本体の基本構造を説明する断面図である。 ヘッド本体をノズルプレート側から見た図である。 アクチュエータユニットの構造を説明する図であり、圧力室長手方向で切断した断面図である。 アクチュエータユニットの構造を説明する図であり、圧力室幅方向で切断した断面図である。 複数のヘッド本体を備えた記録ヘッドを説明する図である。 本発明の変形例を説明する図である。 本発明の他の変形例を説明する図である。

符号の説明

１…ヘッド本体，２…流路ユニット，３…アクチュエータユニット，４…インク供給口，５…ノズル連通口，６…供給口形成基板，７…共通インク室，８…インク室形成基板，９…ノズル開口，１０…ノズルプレート，１１…ノズル列，１２…圧力室，１３…圧力室形成基板，１４…振動板，１５…供給側連通口，１６…蓋部材，１７…圧電素子，３１…圧電体層，３２…共通電極，３３…駆動電極，３４…上層圧電体，３５…下層圧電体，３６…共通上電極，３７…共通下電極，３８…圧力室隔壁，６１…取付ベース

Claims (12)

1. ノズル開口に連通された圧力室と、該圧力室の一部を区画する振動板と、前記圧力室とは反対側の振動板表面に設けられた圧電素子とを備え、圧電素子の変形によって圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることでノズル開口から液滴を吐出する液体噴射ヘッドを備えた画像記録装置において、
   前記圧電素子は、電場に応じて変形する圧電体層と該圧電体層に付与される電場を発生する電極層とを備え、
   前記圧電体層は、互いに積層された上層圧電体と下層圧電体とを含み、前記電極層は、互いに導通された共通上電極及び共通下電極と、駆動信号の供給源に導通される駆動電極とから構成され、
   前記振動板側から、共通下電極、下層圧電体、駆動電極、上層圧電体、共通上電極の順にそれぞれ積層して形成し、
   前記共通上電極を上層圧電体の幅方向一端から他端まで一連に形成し、
   前記共通上電極を前記共通下電極よりも幅広に設けたことを特徴とする画像記録装置。
2. 前記共通上電極を前記駆動電極よりも幅広に設けたことを特徴とする請求項１に記載の画像記録装置。
3. 前記共通上電極を前記共通下電極および前記駆動電極よりも薄くしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像記録装置。
4. 前記共通上電極を金で作製する一方、前記共通下電極および前記駆動電極を白金で作製したことを特徴とする請求項３に記載の画像記録装置。
5. 駆動源としての圧電素子を振動板の表面に形成してなる圧電アクチュエータにおいて、
   前記圧電素子は、電場に応じて変形する圧電体層と該圧電体層に付与される電場を発生する電極層とを備え、
   前記圧電体層は、互いに積層された上層圧電体と下層圧電体とを含み、前記電極層は、互いに導通された共通上電極及び共通下電極と、駆動信号の供給源に導通される駆動電極とから構成され、
   下層圧電体と上層圧電体との間に駆動電極を形成すると共に、下層圧電体と振動板との間に共通下電極を、駆動電極とは反対側の上層圧電体の表面に共通上電極をそれぞれ形成し、
   前記共通上電極を上層圧電体の幅方向一端から他端まで一連に形成し、
   前記共通上電極を前記共通下電極よりも幅広に設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
6. 前記共通上電極を前記駆動電極よりも幅広に設けたことを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記共通上電極を前記共通下電極および前記駆動電極よりも薄くしたことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記共通上電極を金で作製する一方、前記共通下電極および前記駆動電極を白金で作製したことを特徴とする請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
9. ノズル開口に連通された圧力室と、該圧力室の一部を区画する振動板と、前記圧力室とは反対側の振動板表面に設けられた圧電素子とを備え、圧電素子の変形によって圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることでノズル開口から液滴を吐出する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記圧電素子は、電場に応じて変形する圧電体層と該圧電体層に付与される電場を発生する電極層とを備え、
   前記圧電体層は、互いに積層された上層圧電体と下層圧電体とを含み、前記電極層は、互いに導通された共通上電極及び共通下電極と、駆動信号の供給源に導通される駆動電極とから構成され、
   前記振動板側から、共通下電極、下層圧電体、駆動電極、上層圧電体、共通上電極の順にそれぞれ積層して形成し、
   前記共通上電極を上層圧電体の幅方向一端から他端まで一連に形成し、
   前記共通上電極を前記共通下電極よりも幅広に設けたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
10. 前記共通上電極を前記駆動電極よりも幅広に設けたことを特徴とする請求項９に記載の液体噴射ヘッド。
11. 前記共通上電極を前記共通下電極および前記駆動電極よりも薄くしたことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の液体噴射ヘッド。
12. 前記共通上電極を金で作製する一方、前記共通下電極および前記駆動電極を白金で作製したことを特徴とする請求項１１に記載の液体噴射ヘッド。

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