JP5187490B2 - 圧電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、圧電材料で形成される圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータから与えられた吐出圧力で複数のノズルから選択的に液滴を吐出する液滴吐出ヘッドに関するものである。

圧電アクチュエータでは、特許文献１、２に示されるように、圧電材料からなる複数の圧電層と複数の電極層とが交互に積層されたものが知られている。この構造では、複数の個別電極を平面方向に間隔をあけて形成した圧電層と、コモン電極を形成した圧電層とを交互に積層し、積層方向に対向する個別電極とコモン電極との間の各圧電層を活性部として形成し、両電極間に電圧を印加することにより各活性部が積層方向に変位する。そして、この圧電アクチュエータを液滴吐出ヘッドなどに適用し、各活性部の変位により液体に吐出圧力を与えるようにしている。

このような構造では、液体に圧力を与える方向への活性部の変位を大きくするために、その方向と反対側の圧電層に積層して拘束層を設けている。

また、特許文献２に示される構造では、圧電アクチュエータの静電容量を低減するために、活性層における複数の圧電層のうちの少なくとも１層を、他の層よりも層の厚みを厚くしている。
特開２００１−１６２７９６号公報（図５乃至図７参照） 特開２００４−２５９８６５号公報（図３及び図７参照）

特許文献１、２に示される構造では、拘束層の存在により、活性部の変位の比較的多くの部分を液体に圧力を与える方向へ向かわせることができるとともに、積層面と平行な方向の変形を防止して隣接する活性部の変位を抑えクロストークを防止することができる。しかし、これらの構造においても、複数の活性部が、圧電層の面方向（積層方向と直交する方向）で圧電層によって相互につながっているため、十分なクロストークの防止をすることができなかった。

発明者が、特許文献１と同様に、同じ厚さの圧電層、拘束層を積層した構成のインクジェットヘッドにおいて吐出実験を行なったところ、同じ列内のノズル（チャンネル）同士では、複数のノズル（多チャンネル）から同時にインクを吐出するときの吐出速度が、任意の１つのノズル（１チャンネル）のみからインクを吐出するときの吐出速度よりも速くなる現象が生じることがわかった。この吐出速度のばらつきは、記録媒体に着弾するインクの位置ズレを引き起こすために、記録品質に悪影響を与えることになる。

本発明は、上記問題を解消するものであり、活性部を複数同時に駆動させたときと単独で駆動させたときとで、変位にばらつきが生じることを抑制することができる圧電アクチュエータ及び液滴吐出ヘッドの実現を目的とするものである。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明における圧電アクチュエータは、圧電材料からなる１以上の圧電層と複数の電極層とが交互に積層され、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変位する活性部として形成され、前記活性部が前記積層方向と直交する方向に複数個相互に間隔をあけて配置され、前記複数の活性部に渡り且つ前記積層方向の上下には、変位のための電圧が印加されない拘束層がそれぞれ積層されていて、上下の前記拘束層のうちの一方の第１拘束層は、前記活性部の変位を利用する部材に対向するとともに、他方の第２拘束層よりも剛性が高くされていることを特徴とするものである。

また、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において、前記第１拘束層は、前記第２拘束層よりも前記積層方向の厚みが厚く形成されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明における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変位する活性部として形成され、前記活性部が前記積層方向と直交する方向に複数個相互に間隔をあけて配置され、前記各活性部における前記各圧電層は、該活性部の変位を利用する部材に近い側が遠い側よりも剛性が高くされており、前記活性部は３層以上の圧電層を含み、各圧電層の厚みは、該活性部の変位を利用する部材に近い側から遠い側に向かって段階的に剛性が低くされていることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記複数の活性部に渡り且つ前記積層方向の上下には、変位のための電圧が印加されない拘束層がそれぞれ積層されていて、上下の前記拘束層のうち、前記活性部の変位を利用する部材に対向する側の一方の第１拘束層は、他方の第２拘束層よりも剛性が低くされていることを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記活性部の変位を利用する部材に近い側の圧電層は、遠い側の圧電層よりも記積層方向の厚みが厚く形成されていることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項１、２、４のうちいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１拘束層及び第２拘束層は、前記活性部の圧電層と同じ圧電材料で形成され且つ電極間に挟まれていない層であることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明における液滴吐出ヘッドは、液体を吐出する複数のノズルと、各ノズル毎に設けられて前記ノズルに連通する圧力室と、各圧力室に液体を分配する共通液室とを少なくとも有するキャビティ部と、請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電アクチュエータとを備え、前記圧電アクチュエータによって、各圧力室の液体に選択的に吐出圧力を与える液滴吐出ヘッドであって、前記活性部における前記圧電層を挟む上下の電極のうち、一方は各圧力室に対応して設けられた個別電極であり、他方は複数の圧力室に対して共通して設けられたコモン電極であり、前記積層方向からの平面視で、前記個別電極が前記圧力室に重なるように、前記圧電アクチュエータは前記キャビティ部に積層されることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明のように、複数の活性部に渡り且つ前記積層方向の上下に設けられた第１拘束層と第２拘束層のうち、活性部の変位を利用する部材に対向する第１拘束層が、反対側の第２拘束層よりも剛性を高くすることで、複数の活性部を同時に変位させたときと、１つの活性部を単独で変位させたときとで、変位のばらつきを抑制することができた。これは、前記積層方向と直交する方向に複数個相互に間隔をあけて配置された複数の活性部が同時に駆動されると、活性部の変位が相乗的に作用して変位が大きくなる現象が生じるが、第１拘束層の剛性を高くすることで、隣接する活性部の変位が相互に作用することが抑制され、その結果、複数の活性部を同時に変位させたときと、１つの活性部を単独で変位させたときとで、変位のばらつきが抑制されることによるものと考えられる。

請求項２に記載の発明のように、前記第１拘束層を、前記第２拘束層よりも前記積層方向の厚みを厚く形成することで、上記構成を容易に実現することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、活性部における各圧電層は、活性部の変位を利用する部材に近い側が遠い側よりも剛性が高くすることでも、複数の活性部を同時に変位させたときと、１つの活性部を単独で変位させたときとで、変位のばらつきを抑制することができた。これは、前記積層方向と直交する方向に複数個相互に間隔をあけて配置された複数の活性部が同時に駆動されると、活性部の変位が相乗的に作用して変位が大きくなる現象が生じるが、前記部材に近い側の圧電層の剛性を高くすることで、隣接する活性部の変位が相互に作用することが抑制され、その結果、複数の活性部を同時に変位させたときと、１つの活性部を単独で変位させたときとで、変位のばらつきが抑制されることによるものと考えられる。

そして、請求項３に記載の発明のように、活性部に含まれる３層以上の圧電層は、その厚みが活性部の変位を利用する部材に近い側から遠い側に向かって段階的に剛性を低くすることで、隣接する活性部の変位が相互に作用することを効果的に抑制することができる。

請求項５に記載の発明のように、変位を利用する部材に近い側の圧電層を、遠い側の圧電層よりも前記積層方向の厚みを厚く形成することで、上記構成を容易に実現することができる。

請求項４に記載の発明のように、複数の活性部に渡り且つ前記積層方向の上下に設けられた第１拘束層と第２拘束層のうち、活性部の変位を利用する部材に対向する第１拘束層を、反対側の第２拘束層よりも剛性を低くすることで、活性部の変位をそれを利用する部材に対して効果的に伝えることができる。その結果、上記のように、活性部の変位を利用する部材に近い側の圧電層を遠い側の圧電層よりも剛性を高くしたことによる、複数の活性部を同時に変位させたときと、１つの活性部を単独で変位させたときとの、変位のばらつきの抑制を、効果的に実現することができる。

請求項６に記載の発明によれば、第１拘束層と第２拘束層とは、活性部の圧電層と同じ圧電材料で形成されているので、製造時に圧電材料からなる素材シート（グリーンシート等）で圧電層を形成するときに、同種の素材シートを利用し電極で挟まないように構成するだけで簡単に拘束層を形成することができる。また、同種の素材シートで形成されているから、焼成することで簡単に圧電層と拘束層とを一体化できる。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１から７のいずれかに記載の圧電アクチュエータの活性部は、個別電極とコモン電極とで上下を挟まれていて、活性部が、キャビティ部の圧力室毎に選択的に吐出圧力を与えて、ノズルから液体を吐出している。従って、活性部が複数同時に駆動されると、上記のように、各活性部の変位が相互に作用することが抑制されるので、複数のノズルから同時に液体を吐出するときの吐出速度と、１つのノズルから単独で液体を吐出するときの吐出速度とのばらつきを、小さくするかまたはなくすことができ、吐出対象物に安定して液体を吐出させることができる。

以下に、本発明の基本的な実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明が適用された液滴吐出ヘッドであるインクジェット式の記録ヘッド１の斜視図である。記録ヘッド１は、複数のノズル５（図２及び図３参照）を外部に開口させ内部にインク流路を有するキャビティ部２と、キャビティ部２内のインクに吐出圧力を与える圧電アクチュエータ３と、このアクチュエータ３に駆動信号を出力するフレキシブル配線材４とが積層配置される構造を有している。なお、以下の説明では、キャビティ部２のノズル５が開口された側を下面（下側）とし、アクチュエータ３が積層されている側を上面（上側）とする。図１及び図２では、下面側に開口するノズル５から、下向きにインクが吐出される。

キャビティ部２は、図２に示すように、ノズルプレート１１、スペーサプレート１２、ダンパープレート１３、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、サプライプレート１５、ベースプレート１６、及びキャビティプレート１７の合計８枚の薄い平板を、その各広幅面同士が対向するように積層し接合した構造となっている。

実施形態では、各プレート１１〜１７は、４０〜１５０μｍ程度の厚さを有し、ノズルプレート１１はポリイミド等の合成樹脂製で、その他のプレート１２〜１７は４２％ニッケル合金鋼板製である。ノズルプレート１１には、微小径（２０μｍ程度）のインク吐出用のノズル５がＸ方向に微小間隔で多数個列状に穿設されている。ノズル５は、Ｘ方向と直交するＹ方向に間隔をあけて５列設けられている。

ノズルプレート１１の各ノズル５は、キャビティプレート１７に形成されている圧力室２１にそれぞれ個別に連通路２２を介して連通している。そのため、ノズルプレート１１とキャビティプレート１７の間に介挿されたスペーサプレート１２、ダンパープレート１３、マニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、サプライプレート１５、ベースプレート１６には、それぞれ連通路２２の一部となる連通穴２３が穿設されている（図３参照）。

キャビティプレート１７には、複数の圧力室２１がノズル５の配列に対応して５列に配列されている。各圧力室２１は、図２に示すように、平面視細長形状でその長手方向がＹ方向に沿うようにしてキャビティプレート１７の板厚を貫通して形成されている。各圧力室２１の長手方向の一端は、ベースプレート１６に穿設された接続穴２４と、サプライプレート１５に形成された接続流路２５とを介して共通インク室２６に連通している。各圧力室２１の長手方向の他端は、前述した連通路２２に接続している。

２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂには、Ｘ方向に沿って長い５つの（共通インク室２６になるべき）溝状の穴部が板厚を貫通して略平行状に形成されており、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂを積層し、且つその上面をサプライプレート１５にて覆い、下面をダンパープレート１３にて覆うことにより、合計５つの共通インク室（マニホールド室）２６が形成される。

マニホールプレート１４ａの下面に隣接するダンパープレート１３の下面側には、各共通インク室２６と位置及び形状を一致させ且つ共通インク室２６と隔絶されたダンパ室２８が凹み形成されている。このダンパープレート１３は、ダンパ室２８上部の薄い板状の天井部（ダンパ壁）が弾性により自由に振動することで、圧力室２１から共通インク室２６に伝播した圧力変動を吸収減衰させ、圧力変動が他の圧力室２１へ伝播するクロストークを抑制する。

キャビティプレート１７のＹ方向に平行な一方の辺寄りには、インク供給源からのインクを導入するためのインク供給口２９が４つ穿設されており、各インク供給口２９と上下位置を対応させて、ベースプレート１６とサプライプレート１５とにそれぞれ４つの接続口３０が穿設されている。４つのインク供給口２９には、インク中の異物を除去するためのフィルタ体３１（図１参照）が接着剤等で一括して貼着されている。

この実施形態では、図２における左側の１つのインク供給口２９は、同じく左側の２つの共通インク室２６、２６に連通し、ブラックインクが流入するノズル列を２列に設定している。他の３つのインク供給口２９は、それぞれ１つの共通インク室２６に連通し、シアン、イエロー、マゼンタの各インクがそれぞれ単独に供給される。

このように、インクは、インク供給口２９から接続口３０を経て共通インク室２６に流入し、接続流路２５及び接続穴２４を経由して圧力室２１に至る。後述するアクチュエータの活性部が選択的に変位されることで、圧力室内のインクに吐出圧力が加えられ、連通路２２を経てノズル５からインクが吐出される。

アクチュエータ３は、全ての圧力室２１にわたる大きさを有する扁平形状で、特開２００４−２５９８６５号公報等に開示された公知のものと同様に、扁平な方向と直交する方向に積層される複数の圧電材料（例えばＰＺＴ）からなる複数の圧電層４１（個別には４１ａ〜４１ｆと符号を付す）と、圧電層４１の上下を挟む電極層とを備えている（図２及び図３参照）。

さらにアクチュエータ３は、圧電層４１の積層方向上下に、拘束層が設けられている。上下の拘束層のうち、圧力室２１と対向する位置にある方を第１拘束層６１、反対側のフレキシブル配線材４と対向する位置にある方を第２拘束層６２とする。つまり、アクチュエータ３は、キャビティ部２に近い側から順に、第１拘束層６１、圧電層４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆ、第２拘束層６２が積層されている。

第１及び第２拘束層６１、６２は、圧電層４１と同じ圧電材料（ＰＺＴ等）で形成されているが、アクチュエータ３の上下面に露出しているため電極層に挟まれない層である。このため、駆動用の電圧も印加されないので、アクチュエータ３の駆動時に変位が生じない。なお、拘束層は必ずしも圧電層４１と同じ材料で形成しなくてもよく、変位しない材料であればその他の材料で構成してもよいが、圧電材料のシートを用いると部品コストの削減が可能で、且つ製造時の焼成により圧電層４１と一体化させ易い利点がある。

電極層として、平面視圧力室２１と重なる位置に圧力室２１毎に設けた個別電極４２のパターンを有する電極層と、複数の圧力室２１にわたって延びるコモン電極４３のパターンを有する電極層とが、圧電層４１及び拘束層６１、６２間にその積層方向に交互に配置されている。また、アクチュエータ３の最上面には、外部電極４４ａ、４４ｂが配置されている（図１及び図２参照、図３では図示を省略している）。積層方向に対向する個別電極４２は、公知のものと同様に、第２拘束層６２と圧電層４１を貫通したスルーホールに充填された導電材にて外部電極４４ａと一対一で電気的に接続されている。コモン電極４３は、同様にして外部電極４４ｂと接続されている。そして、外部電極４４ａ、４４ｂとフレキシブル配線材４の電極パターン（図示せず）とが電気的に接合されている。

個別電極４２とコモン電極４３とに挟まれる圧電層４１の部分は、駆動用の電圧を印加することで変位する活性部５０として形成されている。個別電極４２は、各圧力室２１に対応して設けられているから、活性部５０も各圧力室２１に対応して、平面視で５列形成され、相互に間隔をあけて配置されている。また、活性部５０は圧電層の数だけ積層方向に重なっていて、個別電極４２とコモン電極４３との間に電圧を印加したときに、重なった活性部が一体的に変位動作を行うので、ここでは、積層方向に重なった活性部全体を指して活性部５０と称している。圧電層の数は１層以上任意に構成することができる。

上記構成のアクチュエータ３を製造するときには、第１拘束層６１、圧電層４１ｂ、４１ｄ、４１ｆとなるべき圧電材料からなる素材シート（グリーンシート）上面にコモン電極４３のパターンが形成され、圧電層４１ａ、４１ｃ、４１ｅとなるべき圧電材料からなる素材シート（グリーンシート）上に個別電極４２のパターンが形成される。そしてコモン電極４３のパターンと個別電極４２のパターンとが交互に位置するように素材シートが積層され、外部電極４４のパターンが形成され第２拘束層６２となるべき圧電材料からなる素材シート（グリーンシート）が積層されて焼成され一体化される。

その後、個別電極４２とコモン電極４３との間に、分極処理用の高電圧を印加すると、個別電極４２とコモン電極４３とに上下を挟まれた圧電層の部分が、個別電極４２からコモン電極４３に向かう方向に分極処理され、活性部５０となる。そして、公知のように、コモン電極４３をグランド電圧に接続し、個別電極４２に選択的に駆動用の電圧（分極処理用の電圧よりも低電圧）を印加すると、活性部５０が圧電縦効果により積層方向に伸長する。

本発明の第１実施形態では、第１拘束層６１の厚みＴ１を第２拘束層６２の厚みＴ３よりも厚くし、圧電層４１ａ〜４１ｆは、全て同じ厚みＴ２で、且つ第１拘束層６１よりも薄く、第２拘束層６２よりも厚くしている（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３）。なお、ここで「厚み」とは圧電層及び拘束層の積層方向と平行な寸法である。第１拘束層６１の厚みＴ１は、活性部５０の変位を圧力室に伝えることが可能な厚みである。

第１実施形態の構成のアクチュエータ３を用いて、その効果を検証する実験を行った。図４（ａ）に示す実験結果１の実施例１では、圧電層４１ａ〜４１ｆの各厚みＴ２＝２５．０μｍ、第１拘束層６１の厚みＴ１＝３７．５μｍ、第２拘束層６２の厚みＴ３＝１２．５μｍに設定している。これに対して、比較例１は、圧電層４１ａ〜４１ｆ、第１拘束層６１、第２拘束層６２のすべての厚みを同じにした例であり、Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔ３＝２５．０μｍにしている。また、比較例２は、第１拘束層６１の厚みを第２拘束層６２よりも薄くした例であり、Ｔ１＝１２．５μｍ、Ｔ２＝２５．０μｍ、Ｔ３＝３７．５μｍにしている。つまり、実施例１と、比較例１及び２は、圧電層４１の厚みはいずれも同じであるが、第１拘束層６１と第２拘束層６２の厚みを変えている。

図４（ａ）の縦軸（以下に示す他の実験結果も同様）は、１つの活性部５０を単独で駆動したとき（１チャンネル駆動）のインクの吐出速度（１チャンネル吐出速度と記載）に対して、複数の活性部５０を同時に駆動したとき（多チャンネル駆動）のインクの吐出速度（多チャンネル吐出速度と記載）の比率を％で示したものである。１チャンネル駆動の吐出速度に対して、多チャンネル駆動の吐出速度が同じときは１００％の値となり、速いときは１００％を超えた値に、遅いときは１００％より小さい値になる。

図４（ａ）に示すように、第１拘束層６１の厚みを第２拘束層６２よりも厚くした実施例１が、比較例１、２に比べて、吐出速度の結果が、１００％にもっとも近くなり、多チャンネル駆動のときのインクの吐出速度が、１チャンネル駆動のときのインクの吐出速度に極めて近くなっている。

比較例１と比較例２は、いずれも１００％を超えた値になっているが、比較例２の方が１００％を大きく超えている。比較例１では、第１拘束層６１と第２拘束層６２の厚みが同じであるのに対して、比較例２では、さらに第１拘束層６１が第２拘束層６２よりも薄くなっている。つまり、実施例１の効果を裏付けるように、第１拘束層６１の剛性が低いほど、多チャンネル駆動のときのインクの吐出速度が１チャンネル駆動のときよりも速くなることがわかる。

換言すれば、実施例１のように第１拘束層６１の厚みを第２拘束層６２よりも厚くしてアクチュエータ３のキャビティ部２側の剛性を高めることにより、多チャンネル駆動のときのインクの吐出速度が１チャンネル駆動のときよりも速くなることを抑制できる効果が得られることがわかった。その結果、１チャンネル駆動か多チャンネル駆動かに拘らず、記録ヘッド１の記録品質の安定化を図ることができる。

図４（ｂ）に示す実験結果２は、実験結果１と比べて、圧電層４１、第１拘束層６１、第２拘束層６２の１層当たりの厚みを厚くした実験の結果である。実施例２では、圧電層４１ａ〜４１ｆの厚みＴ２＝３０μｍ、第１拘束層６１の厚みＴ１＝４５．０μｍ、第２拘束層６２の厚みＴ３＝１５．０μｍにしている。これに対して、比較例３は、圧電層４１ａ〜４１ｆ、第１拘束層６１、第２拘束層６２のすべての厚みを同じにした例であり、Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔ３＝３０．０μｍにしている。比較例４は、第１拘束層６１の厚みを第２拘束層６２よりも薄くした例であり、Ｔ１＝１５．０μｍ、Ｔ２＝３０．０μｍ、Ｔ３＝４５．０μｍにしている。つまり、実施例２と、比較例３及び４は、圧電層４１の厚みはいずれも同じであるが、第１拘束層６１と第２拘束層６２の厚みを変えている。

図４（ｂ）に示す実験結果２も、図４（ａ）に示す実験結果１と同じ傾向を示し、第１拘束層６１の厚みを第２拘束層６２よりも厚くした実施例２が、比較例３、４に比べて、吐出速度の結果が１００％にもっとも近い。すなわち、実施例２でも、多チャンネル駆動のときのインクの吐出速度が、１チャンネル駆動のときのインクの吐出速度よりも速くなることを抑制できることがわかった。また、比較例３、４と比べると、実験結果１と同様に、第１拘束層６１の厚みを厚くしてキャビティ部２に近い側のアクチュエータ３の剛性を高くしたことが、実施例２の効果の要因であることが確認できた。

つまり、複数の活性部が同時に駆動されると、活性部の変位が相乗的に作用して変位が大きくなる現象が生じるが、第１拘束層６１の剛性を高くすることで、隣接する活性部の変位が相互に作用することが抑制される。その結果、複数の活性部を同時に変位させたときと、１つの活性部を単独で変位させたときとで、変位にばらつきが生じることが抑制されることによるものと考えられる。

次に、本発明の第２実施形態について、図５及び図６を用いて説明する。第２実施形態は、第１実施形態に比べて、圧電層４１、第１及び第２拘束層６１、６２の厚みの構成を変えている。

第２実施形態では、図５に示すように、６層の圧電層４１の各厚みを、圧力室２１に近い側が最も厚く、且つ圧力室２１に遠い側に向かって段階的に薄くなるように設定している。つまり、６層の圧電層４１ａ〜４１ｆの各厚みを順次Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ２ｃ、Ｔ２ｄ、Ｔ２ｅ、Ｔ２ｆとすると、Ｔ２ａ＞Ｔ２ｂ＞Ｔ２ｃ＞Ｔ２ｄ＞Ｔ２ｅ＞Ｔ２ｆの関係となっている。また、第１拘束層６１の厚みＴ１は、第１実施形態と異なり、第２拘束層６２の厚みＴ２よりも薄くしている（Ｔ１＜Ｔ２）。

第２実施形態の構成のアクチュエータ３を用いて、その効果を検証する実験を行った。図６（ａ）に示す実験結果３の実施例３では、下側の圧電層４１ａから上側の圧電層４１ｆまで、その厚みを２μｍずつ段階的に薄くし、Ｔ２ａ＝２５．０μｍ、Ｔ２ｂ＝２３．０μｍ、Ｔ２ｃ＝２１．０μｍ、Ｔ２ｄ＝１９．０μｍ、Ｔ２ｅ＝１７．０μｍ、Ｔ２ｆ＝１５．０μｍにしている。また、第１拘束層６１は厚みＴ１＝１２．５μｍ、第２拘束層６２は厚みＴ３＝３７．５μｍである。これに対して、比較例５は、圧電層４１ａ〜４１ｆをすべて同じ厚みのＴ２＝２５．０μｍとし、第１拘束層６１と第２拘束層６２は実施例３と同じで、Ｔ１＝１２．５μｍ、Ｔ３＝３７．５μｍとしている。

図６（ａ）に示すように、圧電層４１の厚みをキャビティ部２に近いほど厚くした実施例３が、圧電層４１の厚みがすべて同じである比較例５に比べて、吐出速度の結果が１００％に近くなっている。つまり、圧電層４１の厚みを、圧力室２１に近いほど厚くしてアクチュエータ３の剛性を高める方が、多チャンネル駆動のときのインクの吐出速度が１チャンネル駆動のときよりも速くなることを抑制できる効果が得られることがわかった。その結果、１チャンネル駆動か多チャンネル駆動かに拘らず、記録ヘッド１の記録品質の安定化を図ることができる。

図６（ｂ）に示す実験結果４は、実験結果３と比べて、圧電層４１、第１拘束層６１、第２拘束層６２の１層当たりの厚みを厚くした実験の結果である。実施例４では、圧電層４１ａ〜４１ｆの厚みはそれぞれ、Ｔ２ａ＝３０．０μｍ、Ｔ２ｂ＝２８．０μｍ、Ｔ２ｃ＝２６．０μｍ、Ｔ２ｄ＝２４．０μｍ、Ｔ２ｅ＝２２．０μｍ、Ｔ２ｆ＝２０．０μｍにしている。また、第１拘束層６１は厚みＴ１＝１５．０μｍ、第２拘束層６２は厚みＴ３＝４５．０ｍである。これに対して、比較例６は、圧電層４１ａ〜４１ｆをすべて同じ厚みのＴ２＝３０μｍとし、第１拘束層６１と第２拘束層６２は実施例４と同じで、Ｔ１＝１５．０μｍ、Ｔ３＝４５．０μｍとしている。

図６（ｂ）に示す実験結果４も、図６（ａ）に示す実験結果３と同じ傾向を示し、圧電層４１の厚みをキャビティ部２に近いほど厚くした実施例４が、圧電層４１の厚みがすべて同じである比較例６に比べて、吐出速度の結果が１００％に近くなっている。つまり、実施例３と同様に、圧電層４１の厚みを、圧力室２１に近い側を遠い側より厚くして剛性を高くすると、多チャンネル駆動のときにインクの吐出速度が１チャンネル駆動のときのインクの吐出速度に比べて速くなることを抑制できる効果が得られることが確認できた。すなわち、複数の活性部が同時に駆動されると、活性部の変位が相乗的に作用して変位が大きくなる現象が生じるが、圧力室に近い側の圧電層の剛性を高くすることで、隣接する活性部の変位が相互に作用することが抑制される。その結果、多チャンネル駆動のときと１チャンネル駆動のときとで、変位にばらつきが生じることが抑制されることによるものと考えられる。

なお、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせて、第１拘束層６１を第２拘束層６２よりも厚くし、且つキャビティ部２に近い側の圧電層４１の厚みを遠い側よりも厚くするようにしてもよい。また、圧電層４１または拘束層６１、６２の剛性は、上記のように厚みを変えるほか、材料の組成を変えることで調整することができる。

さらに、本発明の圧電アクチュエータ３は、インクジェット式の記録ヘッド１に適用するだけでなく、その他の液体を吐出する液滴吐出ヘッドや、マイクロポンプ、各活性部の変位により振動板を振動させる発音体などその他の電子機器に適用してもよい。

本発明を適用した記録ヘッドの分解斜視図である。 キャビティ部の分解斜視図である。 第１実施形態の記録ヘッドをＹ軸方向に沿って切断した縦断面図である。 （ａ）は第１実施形態の記録ヘッドを用いた実験結果１を示す図、（ｂ）は実験結果２を示す図である。 第２実施形態の記録ヘッドをＹ軸方向に沿って切断した縦断面図である。 （ａ）は第２実施形態の記録ヘッドを用いた実験結果３を示す図、（ｂ）は実験結果４を示す図である。

符号の説明

１ 記録ヘッド
２ キャビティ部
３ アクチュエータ
４ フレキシブル配線材
５ ノズル
２１ 圧力室
２６ 共通インク室
４１（４１ａ〜４１ｆ） 圧電層
４２ 個別電極
４３ コモン電極
５０ 活性部
６１ 第１拘束層
６２ 第２拘束層

Claims (7)

1. 圧電材料からなる１以上の圧電層と複数の電極層とが交互に積層され、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変位する活性部として形成され、前記活性部が前記積層方向と直交する方向に複数個相互に間隔をあけて配置され、
   前記複数の活性部に渡り且つ前記積層方向の上下には、変位のための電圧が印加されない拘束層がそれぞれ積層されていて、上下の前記拘束層のうちの一方の第１拘束層は、前記活性部の変位を利用する部材に対向するとともに、他方の第２拘束層よりも剛性が高くされていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記第１拘束層は、前記第２拘束層よりも前記積層方向の厚みが厚く形成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。
3. 圧電材料からなる複数の圧電層と複数の電極層とが交互に積層され、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変位する活性部として形成され、前記活性部が前記積層方向と直交する方向に複数個相互に間隔をあけて配置され、前記各活性部における前記各圧電層は、該活性部の変位を利用する部材に近い側が遠い側よりも剛性が高くされており、
   前記活性部は３層以上の圧電層を含み、各圧電層は、該活性部の変位を利用する部材に近い側から遠い側に向かって段階的に剛性が低くされていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
4. 前記複数の活性部に渡り且つ前記積層方向の上下には、変位のための電圧が印加されない拘束層がそれぞれ積層されていて、上下の前記拘束層のうち、前記活性部の変位を利用する部材に対向する側の一方の第１拘束層は、他方の第２拘束層よりも剛性が低くされていることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記活性部の変位を利用する部材に近い側の圧電層は、遠い側の圧電層よりも記積層方向の厚みが厚く形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記第１拘束層及び第２拘束層は、前記活性部の圧電層と同じ圧電材料で形成され且つ電極間に挟まれていない層であることを特徴とする請求項１、２、４のうちいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
7. 液体を吐出する複数のノズルと、各ノズル毎に設けられて前記ノズルに連通する圧力室と、各圧力室に液体を分配する共通液室とを少なくとも有するキャビティ部と、請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電アクチュエータとを備え、前記圧電アクチュエータによって、各圧力室の液体に選択的に吐出圧力を与える液滴吐出ヘッドであって、
   前記活性部における前記圧電層を挟む上下の電極のうち、一方は各圧力室に対応して設けられた個別電極であり、他方は複数の圧力室に対して共通して設けられたコモン電極であり、
   前記積層方向からの平面視で、前記個別電極が前記圧力室に重なるように、前記圧電アクチュエータは前記キャビティ部に積層されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。

Images