WO2003078166A1 - Actionneur piezo-electrique et tete d'injection de fluide equipee de celui-ci - Google Patents

Actionneur piezo-electrique et tete d'injection de fluide equipee de celui-ci Download PDF

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WO2003078166A1
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piezoelectric
piezoelectric layer
common
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Junhua Chang
Takahiro Katakura
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Seiko Epson Corporation
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Definitions

  • the present invention provides a piezoelectric actuator having a piezoelectric element as a driving source formed on the surface of a diaphragm, and a piezoelectric element provided on the surface of the diaphragm opposite to the pressure chamber, and the piezoelectric element is provided with a piezoelectric element.
  • the present invention relates to a liquid jet head for changing a chamber volume. Background art
  • Piezoelectric elements are deformed by the supply of electric energy, and are widely used, for example, as driving elements for liquid ejecting heads, micropumps, and sound generators (such as speakers).
  • the liquid ejection head is for ejecting liquid droplets from nozzle openings by causing pressure fluctuation in the liquid in the pressure chamber.
  • a recording head used in an image recording device such as a printer is used.
  • a micro pump is a micro pump that can handle a very small amount of liquid, and is used, for example, when sending out a very small amount of a drug solution.
  • a piezoelectric actuator in which a piezoelectric element is provided on the surface of a diaphragm.
  • the piezoelectric actuator is attached to a pressure chamber forming substrate having an empty space serving as a pressure chamber, and a part of the pressure chamber is partitioned by a vibration plate.
  • a driving pulse is supplied to the piezoelectric element to deform the piezoelectric element and the diaphragm (that is, the deformed portion of the pressure chamber). Change the volume.
  • the piezoelectric layer has a two-layer structure consisting of an upper piezoelectric body and a lower piezoelectric body, drive electrodes (individual electrodes) are formed at the boundary between the upper piezoelectric body and the lower piezoelectric body, and the outer surface of the upper piezoelectric body and the lower piezoelectric body are connected.
  • a piezoelectric element having a structure in which a common electrode is formed on the outer surface of the body and a structure in which a common electrode is formed for example, see page 6 of FIG. 2, FIG. 5, FIG. (See page 5, Fig. 9 of Japanese Patent Publication No. 0—34942).
  • the drive electrodes are provided at the boundary between the upper piezoelectric body and the lower piezoelectric body, the distance between the drive electrode and each common electrode is provided on the piezoelectric body in each layer (that is, the And a potential determined by the potential difference between the driving electrode and each common electrode. For this reason, when compared with a single-layer piezoelectric element in which a single-layer piezoelectric body is sandwiched between a common electrode and a drive electrode, the thickness of the entire piezoelectric element is made somewhat thicker and compliance of the deformed portion is reduced. Can be greatly deformed at the same driving voltage as before.
  • an object of the present invention is to enhance the stability of deformation in a piezoelectric element having a multilayer structure. Another object is to increase the deformation efficiency of the piezoelectric element. Another goal is to improve reliability while improving manufacturing efficiency.
  • a piezoelectric actuator comprising: a diaphragm;
  • the drive electrode has a first width in a first direction
  • the second piezoelectric layer has a second width larger than the first width in the first direction. And cover both ends of the drive electrode in the first direction.
  • a first common electrode formed on the diaphragm and fixed at a predetermined potential; a first piezoelectric layer laminated on the first common electrode and having a first width in a first direction;
  • the drive electrode has a third width smaller than the second width in the first direction, so that both ends in the first direction are covered with the second piezoelectric layer.
  • a first common electrode formed on the diaphragm and fixed at a predetermined potential; a first piezoelectric layer laminated on the first common electrode;
  • a second common electrode that is stacked on the second piezoelectric layer, is fixed at the predetermined potential, and has a second width substantially equal to the first width in the first direction. are also provided.
  • the upper piezoelectric body can be flexed as a whole, and the deformation efficiency of the piezoelectric element can be improved.
  • a liquid ejecting head comprising the above-mentioned piezoelectric actuator so that the diaphragm constitutes a part of a vacant chamber communicated with a nozzle opening from which a droplet is discharged.
  • a composition is also provided.
  • the empty space has a first width in a first direction, and at least one of the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer has the first width in the first direction. It has a wider second width.
  • the electrode width of the drive electrode can be increased as much as possible, and the amount of deformation of the piezoelectric element can be increased accordingly.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a basic structure of a head main body.
  • FIG. 2 is a plan view of the head body viewed from the nozzle plate side.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along the longitudinal direction of the pressure chamber of the factory tub according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view along the pressure chamber width direction of the factory unit of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating a recording head including a plurality of head bodies.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view along a pressure chamber width direction of an actuator tub according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view along the pressure chamber width direction of the factory tub according to the third embodiment of the present invention.
  • a recording head (a type of liquid jet head) mounted on an image recording device such as a printer or plotter Will be described as an example.
  • this recording head includes a plurality of head bodies 1 and these head bodies 1 are attached to an attachment base 61.
  • the head main body 1 is roughly composed of a flow passage unit 2 and an actuator unit 3.
  • the flow passage unit 2 includes a supply port forming substrate 6 having a through hole serving as an ink supply port 4 and a part of the nozzle communication port 5, and a through hole and a nozzle communication port 5 serving as a common ink chamber 7.
  • a plurality of ink chamber forming substrates 8 having a part of a through hole and a plurality of nozzle openings 9 are provided in the sub-scanning direction (that is, the direction orthogonal to the main scanning direction, which is the direction of movement of the recording head). It consists of a nozzle plate 10.
  • the supply port forming substrate 6, the ink chamber forming substrate 8, and the nozzle plate 10 are manufactured by, for example, pressing a thin stainless steel plate.
  • the flow channel unit 2 has a nozzle plate 10 on one surface (lower side in the figure) of the ink chamber forming substrate 8 and a supply port forming substrate 6 on the other surface (upper side), respectively. It is manufactured by joining the supply port forming substrate 6, the ink chamber forming substrate 8, and the nozzle plate 10. For example, it is manufactured by bonding the members 6, 8, and 10 with a sheet-like adhesive.
  • the nozzle openings 9 are provided in plural rows at a predetermined pitch.
  • the nozzle row 11 is constituted by the plurality of nozzle openings 9 arranged in a row.
  • one nozzle row 11 is composed of nine nozzle openings 9.
  • two nozzle rows 11 are formed side by side.
  • Actuator unit 3 is a member also called a head chip.
  • the actuator unit 3 includes a pressure chamber forming substrate 13 having a through hole (or an empty space) serving as the pressure chamber 12, a vibration plate 14 that partitions a part of the pressure chamber 12, and a supply side.
  • a cover member 16 that has a through hole that becomes the communication port 15 and a part of the nozzle communication port 5, and a drive source And the piezoelectric element 17.
  • the pressure chamber forming substrate 13 and the lid member 16 are preferably 50 or more, more preferably 100 OO jUm or more.
  • the diaphragm 14 is preferably 50 / im or less, more preferably about 3 to 1.
  • the diaphragm 14 and the piezoelectric element 17 constitute a piezoelectric actuator of the present invention.
  • the vibration plate 14 is a kind of support member on which the piezoelectric element 17 is provided.
  • the actuator unit 3 has a lid member 16 disposed on one surface of the pressure chamber forming substrate 13 and a diaphragm 14 disposed on the other surface, and the respective members are joined to each other. It is produced by forming a piezoelectric element 17 on the surface of 14.
  • the pressure chamber forming substrate 13, the diaphragm 14, and the lid member 16 are made of ceramics such as alumina and zirconium oxide, and are joined by firing.
  • the joining of the pressure chamber forming substrate 13, the vibration plate 14, and the lid member 16 is performed, for example, by the following procedure.
  • a ceramic slurry is prepared using a ceramic raw material, a binder, a liquid medium, and the like.
  • the slurry is formed into a green sheet (unfired sheet material) using a general device such as a doctor blade device or a reverse roll coater device.
  • the green sheet is subjected to processing such as cutting and punching to form necessary through holes and the like, and each sheet-like precursor of the pressure chamber forming substrate 13, the vibration plate 14, and the lid member 16 is formed.
  • each sheet-like precursor is integrated to obtain one sheet-like member. In this case, since each sheet-shaped precursor is integrally fired, no special bonding treatment is required.
  • a high sealing property can be obtained at the joint surface of each sheet-like precursor.
  • a single sheet-like member is provided with a plurality of units of pressure chambers 12, nozzle communication ports 5, and the like.
  • a plurality of actuator units (head chips) 3 are manufactured from one sheet-like member.
  • one actuating unit A plurality of chip regions 3 are set in a matrix in one sheet-like member, and necessary members such as the piezoelectric elements 17 are formed for each chip region.
  • a plurality of factory units 3 are obtained by cutting the sheet-like member (ceramic sheet) on which the necessary members are formed for each chip area.
  • the pressure chambers 12 are vacant spaces elongated in a direction orthogonal to the nozzle row 11, and a plurality of pressure chambers 12 are formed corresponding to the nozzle openings 9. That is, as shown in FIG. 2, they are arranged in the nozzle row direction.
  • One end of each pressure chamber 12 communicates with the corresponding nozzle opening 9 through the nozzle communication port 5.
  • the other end of the pressure chamber 12 on the opposite side of the nozzle communication port 5 communicates with the common ink chamber 7 through the supply-side communication port 15 and the ink supply port 4.
  • a part of the pressure chamber 12 is partitioned by the diaphragm 14.
  • the piezoelectric element 17 is a so-called radial vibration mode piezoelectric element, and is formed for each pressure chamber 12 on the surface of the diaphragm opposite to the pressure chamber 12.
  • the width of the piezoelectric element 17 is determined based on the width of the pressure chamber 12, and the length is slightly longer than the length of the pressure chamber 12. That is, the piezoelectric element 17 is formed so as to cover the longitudinal direction of the pressure chamber 12.
  • the piezoelectric element 17 has, for example, a multilayer structure including a piezoelectric layer 31, a common electrode 32, a drive electrode 33, and the like, as shown in FIG.
  • the piezoelectric layer 31 is sandwiched between the common electrode 32 and the common electrode 32.
  • the detailed structure of the piezoelectric element 17 will be described later in detail.
  • a drive signal supply source (not shown) is electrically connected to the drive electrode 33, that is, electrically connected.
  • the common electrode 32 is adjusted to, for example, the ground potential.
  • a drive signal is supplied to the drive electrode 33, an electric field having a strength corresponding to the potential difference is generated between the drive electrode 33 and the common electrode 32. Since this electric field is applied to the piezoelectric layer 31, the piezoelectric layer 31 is deformed according to the intensity of the applied electric field. That is, as the potential of the drive electrode 33 increases, the piezoelectric layer 31 contracts in a direction orthogonal to the electric field, and deforms the diaphragm 14 so as to reduce the volume of the pressure chamber 12. On the other hand, lower the potential of the drive electrode 33 As the piezoelectric layer 31 expands in the direction perpendicular to the electric field, the diaphragm 14 is deformed so as to increase the volume of the pressure chamber 12.
  • the actuating unit 3 and the above-mentioned flow unit 2 are joined to each other.
  • a sheet-like adhesive is interposed between the supply port forming substrate 6 and the lid member 16, and in this state, the unit 3 is pressed against the channel unit 2 to be bonded.
  • the head body 1 configured as described above has a series of passages from the common ink chamber 7 to the nozzle opening 9 through the ink supply port 4, the supply side communication port 15, the pressure chamber 12, and the nozzle communication port 5. Are formed for each nozzle opening 9.
  • the inside of this ink flow path is filled with ink (a kind of liquid), and the corresponding pressure chamber 12 contracts or expands by deforming the piezoelectric element 17, and the pressure chamber 12 Pressure fluctuation occurs in the ink.
  • ink By controlling the ink pressure, ink droplets can be ejected from the nozzle openings 9. For example, if the pressure chamber 12 with a steady volume is once expanded and then contracted rapidly, the ink is filled with the expansion of the pressure chamber 12 and then the ink inside the pressure chamber 12 is suddenly contracted. Is pressed to eject ink droplets.
  • the compliance of the diaphragm 14 and the piezoelectric element 17 that is, the deformed part in the pressure chamber 12
  • the compliance of the piezoelectric element 17 It is necessary to consider the amount of deformation. In other words, the greater the compliance of the deformed portion, the worse the response to deformation, and the more difficult it is to drive at a high frequency.
  • the smaller the compliance the more difficult it is to deform the deformed portion, and the smaller the amount of contraction of the pressure chamber 12, the smaller the amount of ink per drop.
  • the piezoelectric element has a single-layer structure in which a single-layer piezoelectric body is sandwiched between a common electrode and a drive electrode. And is used as the granulation, the maximum response frequency is about 2 5 k H Z, the maximum ink droplet amount was about 1 3 p L (Pikoritsutoru).
  • the conformity of the deformed portion is reduced by using the piezoelectric element 17 having a multilayer structure, and further, by improving the structure of the piezoelectric element 17, the deformation of the piezoelectric element 17 is stabilized.
  • the required amount of ink droplets can be efficiently ejected while improving the performance.
  • the piezoelectric layer 31 is composed of an upper piezoelectric body (outer piezoelectric body) 34 and a lower piezoelectric body (inner piezoelectric body) 35 that are stacked on each other.
  • the common electrode 32 is composed of a common upper electrode (common outer electrode) 36 and a common lower electrode (common inner electrode) 37.
  • the common electrode 32 and the drive electrode (individual electrode) 33 constitute an electrode layer.
  • up (out) j or “down (in)” indicates a positional relationship with respect to the diaphragm 14.
  • the positional relationship based on the bonding surface of the piezoelectric element 17 with the vibration plate 14 (which can be expressed as an operation surface for outputting the deformation of the piezoelectric element 17) is shown.
  • upper (outer) indicates a side farther from the diaphragm 14
  • lower (inner) indicates a side closer to the diaphragm 14.
  • the drive electrode 33 is formed at the boundary between the upper piezoelectric body 34 and the lower piezoelectric body 35, and the common lower electrode 37 is formed between the lower piezoelectric body 35 and the diaphragm 14.
  • the common upper electrode 36 is formed on the surface of the upper piezoelectric body 34 opposite to the lower piezoelectric body 35. That is, the piezoelectric element 17 is laminated in the order of the diaphragm 14 force, the common lower electrode 37, the lower piezoelectric body 35, the drive electrode 33, the upper piezoelectric body 34, and the common upper electrode 36. It is a multi-layered structure.
  • the total thickness of the upper piezoelectric layer 34 and the lower piezoelectric layer 35 is about 20 / m, and the thickness of the piezoelectric layer 31 is approximately 20 / m.
  • the total thickness is about 23 width.
  • the thickness of the entire element is about 15 / m It is. Accordingly, since the thickness of the piezoelectric element 17 is increased, the compliance of the diaphragm 14 is reduced accordingly.
  • the common upper electrode 36 and the common lower electrode 37 are adjusted to a constant potential regardless of the drive signal.
  • the common upper electrode 36 and the common lower electrode 37 are electrically connected to each other and adjusted to the ground potential.
  • the drive electrode 33 is electrically connected to the supply source of the drive signal as described above, the potential is changed according to the supplied drive signal. Accordingly, the supply of the drive signal generates electric fields having opposite directions between the drive electrode 33 and the common upper electrode 36 and between the drive electrode 33 and the common lower electrode 37. .
  • each of the electrodes 33, 36, and 37 various conductors such as a simple metal, an alloy, and a mixture of an electrically insulating ceramic and a metal are selected. It is required that no problem such as deterioration occurs in the above.
  • gold is used for the common upper electrode 36, and platinum is used for the common lower electrode 37 and the drive electrode 33.
  • Both the upper piezoelectric member 34 and the lower piezoelectric member 35 are made of a piezoelectric material mainly containing, for example, lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • the upper piezoelectric body 34 and the lower piezoelectric body 35 have opposite polarization directions. For this reason, the direction of expansion and contraction when the drive signal is applied is uniform between the upper piezoelectric body 34 and the lower piezoelectric body 35, so that deformation can be performed without any trouble.
  • the upper piezoelectric member 34 and the lower piezoelectric member 35 deform the diaphragm 14 so that the volume of the pressure chamber 12 decreases as the potential of the drive electrode 33 increases, and the drive electrode 33 The diaphragm 14 is deformed so that the volume of the pressure chamber 12 increases as the potential decreases.
  • the thickness tp 1 of the upper piezoelectric body 34 is changed to the thickness of the lower piezoelectric body 35. Thicker than tp 2.
  • the thickness tp1 of the upper piezoelectric body 34 is 12 m
  • the thickness tp2 of the lower piezoelectric body 35 is 8 m.
  • the deformation of the piezoelectric element 17 during driving can be stabilized. That is, it can be deformed into a shape as designed.
  • the volume control of the pressure chambers 12 can be performed more precisely, and therefore, it is suitable for applications in which discharge characteristics are more finely controlled, for example, applications for high-quality printing.
  • the upper piezoelectric body 34 is provided wider than the drive electrode 33 (that is, wider than the electrode width of the drive electrode 33).
  • the drive electrode 33 is continuously covered by the conductor 34 over the entire width thereof. This is to prevent problems such as air discharge. That is, the distance from the drive electrode 33 to the common upper electrode 36 or the common lower electrode 37 is extremely small, about several microns to several tens of microns, as described above. Further, in order to drive the piezoelectric members 34 and 35 of each layer, it is necessary to apply a voltage of about 30 to 40 V.
  • both ends in the width direction of the drive electrode 33 are exposed from each of the layer piezoelectric members 34 and 35, air discharge may occur in a high-temperature and high-humidity environment, which may cause an abnormal operation. In addition, it may cause a short circuit during manufacturing.
  • the drive electrode 33 is covered with the upper piezoelectric body 34 as in the present embodiment, the drive electrode 33 is buried in the piezoelectric body layer 31, so that air discharge can be prevented. And malfunction can be prevented.
  • the piezoelectric layer 31 (lower piezoelectric body 35) is provided in a state of overhanging beyond the side edge of the common lower electrode 37.
  • the common lower electrode 37 has a width smaller than the width WC of the pressure chamber 12 and is disposed within the width of the pressure chamber.
  • the common upper electrode 36 in the present embodiment, an electrode material that is thinner and more flexible than the other electrodes (the drive electrode 33 and the common lower electrode 37) is used. This is because the common upper electrode 36 is more greatly deformed than the other electrodes. That is, since the common upper electrode 36 is formed on the surface of the upper piezoelectric body 34, it is more deformed than the other electrodes. For this reason, the common upper electrode 36 can be prevented from being damaged by repeated deformation by using a material softer than the other electrodes and / or reducing the layer thickness. Further, it is preferable to use an electrode material having good conductivity so that the electric resistance does not become excessively high even when the layer thickness is reduced.
  • the common upper electrode 36 is made of gold, and the drive electrode 33 and the common lower electrode 37 are made of platinum.
  • the common lower electrode 37 and the driving electrode 33 have a thickness of 2 to 3 m, whereas the common upper electrode 36 has a thickness of about 10 to 10 (for example, 0.3 m).
  • the common upper electrode 36 can be deformed by following the piezoelectric element 17, and the problem that the amount of deformation of the piezoelectric element 17 is impaired can be prevented. Further, even if one piezoelectric element is repeatedly deformed, a failure such as disconnection is unlikely to occur. Further, current can efficiently flow through the common upper electrode 36.
  • the upper piezoelectric body 34 is configured to be wider than the inner dimension wc of the pressure chamber 12 and the common upper electrode 36 is configured to be wider than the common lower electrode 37.
  • the feature is that the common upper electrode 36 is formed in a series over the entire width of the upper piezoelectric body 34 in the width direction.
  • the width wp 1 of the upper piezoelectric body 34 is wider than the inner dimension wc of the pressure chamber 12 and the width wp 2 of the lower piezoelectric body 35, and the width between the width centers of the pressure chamber partition walls 38. It is formed narrower than the interval wc "(the partition interval wc"). Further, the center of the upper piezoelectric body 34 in the width direction is formed so as to match the center of the pressure chamber 12 in the width direction. In other words, the upper layer The piezoelectric body 34 is formed inside the width range (the range indicated by the partition wall spacing wc ") connecting the centers in the thickness direction of the pressure chamber partition walls 38. Thereby, the adjacent upper piezoelectric body 34 is formed. A gap is provided between them, and the piezoelectric elements 17 are arranged without contacting each other.
  • the electrode width (forming width) we 1 is set equal to the width w P 1 of the upper piezoelectric body 34.
  • the common upper electrode 36 is formed continuously from one end in the width direction of the upper piezoelectric body 34 to the other end.
  • gold which is a soft and soft electrode material is used, and this gold is formed as an extremely thin layer of about 0.3 / im.
  • the width wp 1 of the upper piezoelectric body 34 is wider than the internal width wc of the pressure chamber 12, and the common upper electrode 36 is formed so as to cover the width direction of the upper piezoelectric body 34. Therefore, the electric field generated between the drive electrode 33 and the common upper electrode 36 acts on the entire area of the upper piezoelectric body 34 in the width direction. This allows the upper piezoelectric body 34 to be deformed over the entire area in the width direction. Since the upper piezoelectric body 34 is configured to be wider than the pressure chamber width (inner dimension wc), the amount of deformation of the upper piezoelectric body 34 at the center in the width direction is increased as compared with the above embodiment. be able to. Accordingly, the center of the pressure chamber 12 in the width direction of the vibration plate 14 can be largely deformed, and the deformation of the piezoelectric element 17 can be efficiently changed to a change in the volume of the pressure chamber 12.
  • the deformation range of the upper piezoelectric body 34 is smaller than the deformation range of the lower piezoelectric body 35. Re can also be wide. That is, at the center in the width direction, the upper piezoelectric body 34 can be deformed more than the lower piezoelectric body 35. Since the upper piezoelectric body 34 is farther from the diaphragm 14 than the lower piezoelectric body 35, the deformation of the upper piezoelectric body 34 is amplified. To act on the diaphragm 14. Therefore, also at this point, the center in the width direction of the pressure chamber 12 can be largely deformed.
  • the width of the drive electrode 33 can be increased to the width of the lower piezoelectric body 35.
  • the electric field generated between the electrodes can be made stronger than in the above-described embodiment.
  • the piezoelectric element 17 can be deformed as much as possible, and the volume change of the pressure chamber 12 can be made as large as possible.
  • the internal dimension wc of the pressure chamber 12 is 160 m, and the formation pitch of the pressure chamber 12 (the interval corresponding to the symbol wc "in FIG. 6) is 21 OjUm. Therefore, the width wp 1 of the upper piezoelectric body 34 can be increased up to about 1.3 times the internal dimension wc of the pressure chamber 12.
  • the width w p 1 of the upper piezoelectric body 34 is wider than the width w p 2 of the lower piezoelectric body 35, there is an advantage that the upper piezoelectric body 34 can be easily formed. That is, in order to manufacture the piezoelectric element 17, first, a paste of an electrode material (for example, platinum) serving as the common lower electrode 37 is applied in a predetermined pattern on the vibration plate 14 through a mask, and then fired. I do. Once the common lower electrode 37 is formed, a paste of a piezoelectric material (for example, lead titanate titanate) that will become the lower piezoelectric body 35 is formed on the common lower electrode 37 through a mask into a predetermined pattern. Apply, apply and then bake.
  • the drive electrode 33, the upper piezoelectric body 34, and the common upper electrode 36 are sequentially formed by repeating coating and baking in the same manner.
  • a pattern for forming the upper piezoelectric body 34 can be formed wider than the pattern of the lower piezoelectric body 35 for a mask for forming the upper piezoelectric body 34. This makes it relatively easy to align the mask. As a result, production efficiency can be improved.
  • the drive electrode 33 can be reliably covered by the upper piezoelectric body 34.
  • Ma Ward It is possible to reliably prevent a short circuit between the moving electrode 33 and the common electrode 32, and also prevent a problem due to air discharge.
  • the third embodiment shown in FIG. 7 is characterized in that the lower piezoelectric body 34 is formed wider than the inner dimension w c of the pressure chamber 12.
  • the width w p 2 of the lower piezoelectric body 35 is formed wider than the inner dimension w c of the pressure chamber 12. Therefore, when the width of each part is listed in the order of increasing width, it is as follows. That is, the partition wall spacing wc "is the widest, the width wp 1 of the upper piezoelectric body 34 and the width we 1 of the common upper electrode 36 are the second widest, and the width wp 2 of the lower piezoelectric body 35 and the driving electrode 3 Width of 3 we 2 power 3rd widest, inner dimension wc of pressure chamber 1 2 4th widest, and width w ⁇ 3 of common lower electrode 37 is the narrowest.
  • the center in the width direction of each section is aligned with the center in the width direction of the pressure chamber 12.
  • the thickness tp 1 of the upper piezoelectric body 34 is larger than the thickness tp 2 of the lower piezoelectric body 35.
  • the width we 2 of the drive electrode 33 is made equal to the width of the lower piezoelectric body 35, and is set as wide as possible. Therefore, the electric field generated between the electrodes can be further increased, and the deformation of the piezoelectric element 17 can be increased as much as possible. This makes it possible to discharge ink droplets efficiently. Also, in this embodiment, since the common upper electrode 36 is formed so as to cover the width direction of the upper piezoelectric body 34, the amount of deformation of the upper piezoelectric body 34 at the center in the width direction is different from that of the above embodiment. It can be larger than that. Therefore, also in this embodiment, the deformation of the piezoelectric element 17 can be efficiently changed to a change in the volume of the pressure chamber 12.
  • the drive electrode 33 can be reliably covered by the upper piezoelectric body 34. This reliably prevents a short circuit between the drive electrode 33 and the common electrode 32, and also prevents a problem due to air discharge. Further, in this embodiment, since the width wp 2 of the lower piezoelectric body 35 is wider than the inner dimension wc of the pressure chamber 12 in the width direction, the deformed portion of the elastic plate 17 is covered by the piezoelectric element 17. Becomes For this reason, the compliance of the portion is smaller than in the above embodiment.
  • the width wP2 of the lower piezoelectric body 35 is set to be smaller than the width wp1 of the upper piezoelectric body 34, but the width wp1 is set to be the same as the width wp1 of the upper piezoelectric body 34. It can be extended to
  • the recording head which is a type of liquid jet head
  • the present invention is applicable to other liquid jets such as a liquid crystal jet head and a color material jet head. And its piezoelectric actuator. Further, the present invention can be applied to a piezoelectric actuator for a micropump.

Description

明細書 圧電ァクチユエータおよびこれを備えた液体噴射へッド 技術分野
本発明は、駆動源としての圧電素子を振動板表面に形成してなる圧電ァクチユエ一 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、 この圧電素子によつ て圧力室容積を変化させる液体噴射へッドに関する。 背景技術
圧電素子は、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、液体噴射へッドは、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へッド、液晶ディスプレーの製造に用いられる液晶噴射へッ 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へッドゃ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ァクチユエ一夕がある。この圧電ァクチユエ一 タは圧力室となる空部を有する圧力室形成基板に取リ付けられ、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。
これらの液体噴射へッドゃ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、特開平 2— 2 8 9 3 5 2号公報の第 6頁， 第 5図， 特開平 1 0— 3 4 9 2 4号公報の第 5頁， 第 9 図） 。
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。 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。 発明の開示
よって本発明の目的は、多層構造の圧電素子における変形の安定性を高めること にある。 また、 圧電素子の変形効率を高めることにある。 さらに、製造効率を高め つつ、 信頼性の向上を図ることにある。
上記目的を達成するために、 本発明によれば、 圧電ァクチユエ一タであって、 振動板と、
該振動板上に形成され、 所定の電位に固定される第 1共通電極と、 該第 1共通電極上に積層され、 第 1の厚さを有する第 1圧電体層と、 該第 1圧電体層上に積層され、外部よリ駆動信号が供給される駆動電極と、 該駆動電極上に積層され、該第 1の厚さよりも厚い第 2の厚さを有する第 2圧電体層と、
該第 2圧電体層上に積層され、該所定の電位に固定される第 2共通電極と を具備して成るものが提供される。
この構成によれば、上層圧電体における変形の線形性を良好にすることができる。 これにより、駆動時における圧電素子の変形をより精密に制御することができ、変 形の安定性を高めることができる。
好ましくは、該駆動電極は第 1の方向に関して第 1の幅を有し、該第 2圧電体層 は、該第 1の方向に関して該第 1の幅よりも広い第 2の幅を有することで、該駆動 電極の該第 1の方向における両端部を覆う。
この構成によれば、駆動電極が圧電体層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 が他の電極に短絡してしまう不具合を防止することもできる。
本発明によれば、 圧電ァクチユエータであって、 振動板と、
該振動板上に形成され、 所定の電位に固定される第 1共通電極と、 該第 1共通電極上に積層され、第 1の方向に関して第 1の幅を有する第 1 圧電体層と、
該第 1圧電体層上に積層され、外部よリ駆動信号が供給される駆動電極と、 該駆動電極上に積層され、該第 1の方向に関して該第 1の幅よリも広い第
2の幅を有する第 2圧電体層と、
該第 2圧電体層上に積層され、該所定の電位に固定される第 2共通電極と を具備して成るものも提供される。
この構成によれば、製造効率を高めることができるし、短絡や空中放電等の不具 合も防止できる。
好ましくは、該駆動電極は該第 1の方向に関して第 2の幅よリも狭い第 3の幅を 有することで、 該第 1の方向における両端部を該第 2圧電体層に覆われる。
本発明によれば、 圧電ァクチユエ一タであって、
振動板と、
該振動板上に形成され、 所定の電位に固定される第 1共通電極と、 該第 1共通電極上に積層される第 1圧電体層と、
該第 1圧電体層上に積層され、外部よリ駆動信号が供給される駆動電極と、 該駆動電極上に積層され、第 1の方向に関して第 1の幅を有する第 2圧電 体層と、
該第 2圧電体層上に積層され、該所定の電位に固定されると共に、該第 1 の方向に関して該第 1の幅と略同一の第 2の幅を有する第 2共通電極とを具備して 成るものも提供される。
この構成によれば、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。 本発明によれば、液体噴射へッドであって、液滴が吐出されるノズル開口と連通 された空室の一部を該振動板が構成するように、上記の圧電ァクチユエータを具備 して成るものも提供される。
好ましくは、該空室は第 1の方向に関して第 1の幅を有し、該第 1圧電体層およ び第 2圧電体層の少なくとも一方は、該第 1の方向に関して該第 1の幅よリも広い 第 2の幅を有する。
この構成によれば、駆動電極の電極幅を可及的に広げることができ、圧電素子の 変形量をその分だけ増やすことができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 ヘッド本体の基本構造を説明する断面図である。
図 2は、 へッド本体をノズルプレート側から見た平面図である。
図 3は、本発明の第 1実施例に係るァクチユエータュニッ卜の圧力室長手方向に 沿った断面図である。
図 4は、第 1実施例のァクチユエ一タュニッ卜の圧力室幅方向に沿った断面図で あ 。
図 5は、 複数のへッド本体を備えた記録へッドを説明する平面図である。
図 6は、本発明の第 2実施例に係るァクチユエータュニッ卜の圧力室幅方向に沿つ た断面図である。
図 7は、本発明の第 3実施例に係るァクチユエータュニッ卜の圧力室幅方向に沿つ た断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。 ここでは、 プリン タゃプロッタ等の画像記録装置に搭載される記録へッド （液体噴射へッドの一種） を例に挙げて説明する。 この記録へッドは、例えば、 図 5に示すように、 複数個の へッド本体 1を備え、これらのへッド本体 1を取付ベース 6 1に取り付けて構成さ れている。
まず、 へッド本体 1の基本構造について説明する。 図 1に示すように、 このへッ ド本体 1は、流路ュニット 2とァクチユエータユニット 3とから概略構成されてい る。
流路ュニット 2は、ィンク供給口 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、記録へ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卜 1 0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 1 0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、 この流路ュニット 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 1 0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、 ノズルプレー卜 1 0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， 1 0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 1 1が構成される。 例えば、 9 2個のノズル開口 9で 1つのノズル列 1 1が構成される。 そして、 この ノズル列 1 1が横並びに 2列形成される。
ァクチユエ一タュニッ卜 3は、へッドチップとも呼ばれる部材である。 このァク チュエータユニット 3は、 圧力室 1 2となる通孔 （或いは空部） を開設した圧力室 形成基板 1 3と、圧力室 1 2の一部を区画する振動板 1 4と、供給側連通口 1 5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 1 6と、駆動源と しての圧電素子 1 7とによって構成される。 これら各部材 1 3， 1 4 , 1 6の板厚 に関し、 圧力室形成基板 1 3、 及び、 蓋部材 1 6は、 好ましくは 5 0 以上、 よ リ好ましくは 1 O O jU m以上である。 また、振動板 1 4は、 好ましくは 5 0 /i m以 下、 より好ましくは 3〜 1 程度である。
なお、 このァクチユエータユニット 3において、振動板 1 4と圧電素子 1 7が本 発明の圧電ァクチユエータを構成する。 また、振動板 1 4は、 圧電素子 1 7が設け られる支持部材の一種である。
そして、 このァクチユエ一タュニッ卜 3は、圧力室形成基板 1 3の一方の表面に 蓋部材 1 6を、他方の表面に振動板 1 4をそれぞれ配置して各部材を接合し、その 後振動板 1 4の表面に圧電素子 1 7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 1 3、 振動板 1 4、 及び、 蓋部材 1 6は、 アルミナや酸化ジルコ二 ゥ厶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 1 3、振動板 1 4、蓋部材 1 6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ツ 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 1 3、 振動板 1 4、 及び、 蓋部材 1 6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、 各シー卜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枚のシ一卜状部材には、複数ユニット分の圧力室 1 2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ァクチユエータ ュニット （へッドチップ） 3を作製する。例えば、 1つのァクチユエータュニッ卜 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 1 7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 数のァクチユエ一タュニット 3を得る。
上記の圧力室 1 2は、ノズル列 1 1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 1 2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 1 2の他 端は、供給側連通口 1 5及ぴィンク供給口 4を通じて共通ィンク室 7に連通してい る。 さらに、 この圧力室 1 2の一部は、 振動板 1 4によって区画されている。 上記の圧電素子 1 7は、所謂橈み振動モードの圧電素子であり、圧力室 1 2とは 反対側の振動板表面に圧力室 1 2毎に形成されている。この圧電素子 1 7の幅は圧 力室 1 2の幅を基準に定められ、 長さは圧力室 1 2の長さよりも多少長い。 即ち、 圧電素子 1 7は、圧力室 1 2の長手方向を覆うように形成されている。この圧電素 子 1 7は、例えば、 図 3に示すように、圧電体層 3 1と共通電極 3 2と駆動電極 3 3等によつて構成される多層構造であリ、駆動電極 3 3と共通電極 3 2とによって 圧電体層 3 1を挟んでいる。なお、 この圧電素子 1 7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 3 3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 3 2は、例えば接地電位に調整される。そして、 駆動 電極 3 3に駆動信号が供給されると、駆動電極 3 3と共通電極 3 2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 3 1に付与されるので、圧 電体層 3 1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 3 3の電位 を高くする程、圧電体層 3 1は電場と直交する方向に収縮し、圧力室 1 2の容積を 少なくするように振動板 1 4を変形させる。一方、駆動電極 3 3の電位を低くする 程、圧電体層 3 1は電界と直交する方向に伸長し、圧力室 1 2の容積を増やすよう に振動板 1 4を変形させる。
そして、このァクチユエータュニッ卜 3と上記の流路ュニット 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 1 6との間にシート状接着剤を介在 させ、この状態でァクチユエータュニット 3を流路ュニット 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へッド本体 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 1 5、圧力室 1 2、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、 このィ 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 1 7を変形させる ことで対応する圧力室 1 2が収縮或いは膨張し、圧力室 1 2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 1 2を一旦膨張させた後に急激に収 縮させると、圧力室 1 2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 1 2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 1 2を区画している部分の振動板 1 4及 び圧電素子 1 7 (即ち、圧力室 1 2における変形部分） のコンプライアンスと、圧 電素子 1 7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リ、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 し難くなリ、圧力室 1 2の収縮量が少なくなつて 1滴のインク量が減つてしまうか らである。
このような観点から、既に実用化されている橈み振動モードの圧電素子を用いた 記録へッドでは、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 2 5 k H Z程度、最大インク滴量は 1 3 p L (ピコリツトル） 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 1 7を用いて変形部分のコンブラ ィアンスを小さくし、 さらに、 この圧電素子 1 7の構造を改良することにより、圧 電素子 1 7における変形の安定性を高めつつ、必要量のィ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 1 7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 3 1は、互いに積層された上層圧電体（外側圧電体） 3 4及び下層圧電体 （内側 圧電体） 3 5から構成される。 また、 共通電極 3 2は、 共通上電極 （共通外電極） 3 6及び共通下電極 （共通内電極） 3 7から構成される。そして、 この共通電極 3 2と駆動電極 （個別電極） 3 3とが電極層を構成する。
なお、 ここでいう 「上 （外） j 或いは「下 （内） 」 とは、 振動板 1 4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 1 7における振動板 1 4との接合 面 （圧電素子 1 7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 1 4から 遠い側を示し、 「下 （内） 」 とあるのは振動板 1 4に近い側を示している。
上記の駆動電極 3 3は、上層圧電体 3 4と下層圧電体 3 5の境界に形成され、共 通下電極 3 7は下層圧電体 3 5と振動板 1 4との間に形成される。また、共通上電 極 3 6は下層圧電体 3 5とは反対側の上層圧電体 3 4の表面に形成される。 即ち、 この圧電素子 1 7は、振動板 1 4側力、ら、共通下電極 3 7、下層圧電体 3 5、駆動 電極 3 3、上層圧電体 3 4、共通上電極 3 6の順で積層された多層構造である。 そ して、圧電体層 3 1の厚さは上層圧電体 3 4と下層圧電体 3 5の 2層を合計して約 2 0 / mであり、共通電極 3 2を含めた圧電素子 1 7の全体の厚さは約 2 3 巾で ある。
なお、従来の単層構造の圧電素子 1 7にあっては、素子全体の厚さが約 1 5 / m である。従って、圧電素子 1 7の厚さが増したことから、 その分だけ振動板 1 4の コンプライアンスが小さくなつている。
上記の共通上電極 3 6と共通下電極 3 7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 3 6と共通下電極 3 7は互い に導通され、接地電位に調整される。 また、駆動電極 3 3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 3 3と共通上電極 3 6との間、 及 び、駆動電極 3 3と共通下電極 3 7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 3 3， 3 6， 3 7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 3 6に金を用い、共通下電極 3 7及び駆動電極 3 3に白金を用い ている。
上記の上層圧電体 3 4と下層圧電体 3 5は共に、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ P Z T ) 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 3 4 と下層圧電体 3 5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 3 4と下層圧電体 3 5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 3 4及び下層圧電体 3 5は、駆動電極 3 3の電位を高くする程に 圧力室 1 2の容積を少なくするように振動板 1 4を変形させ、駆動電極 3 3め電位 を低くする程に圧力室 1 2の容積を増やすように振動板 1 4を変形させる。
そして、この多層構造の圧電素子 1 7の変形を安定させるベく、本実施形態では、 図 4に示すように、上層圧電体 3 4の厚さ t p 1を、下層圧電体 3 5の厚さ t p 2 よりも厚くしている。例えば、上層圧電体 3 4の厚さ t p 1を 1 2 mとし、下層 圧電体 3 5の厚さ t p 2を 8〃 m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 3 1の厚さが厚くなつた分だけ高くなるが、上層圧電体 3 4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 1 7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 1 2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 3 3に関し、本実施形態では、上層圧電体 3 4を駆動電極 3 3よ リも幅広 （即ち、駆動電極 3 3の電極幅よりも広い幅） に設けており、 この上層圧 電体 3 4によって駆動電極 3 3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 3 3から共通上電極 3 6 或いは共通下電極 3 7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 3 4 , 3 5を駆動するためには、 3 0〜4 0 V程 度の電圧を印加する必要がある。このため、駆動電極 3 3の幅方向両端部を各層圧 電体 3 4 , 3 5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 3 4によって駆動電極 3 3を覆う 構成にすると、駆動電極 3 3が圧電体層 3 1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 3 3が他の電極 （共通上電極 3 6， 共通下電極 3 7 ) 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 3 1 (下層圧電体 3 5 ) を、 共通 下電極 3 7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 3 7は、圧力室 1 2の幅 W C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 1 4の幅方向両端部には、振動板 1 4のみの弾性領域 V c， V cが形成される。 この弾性領域 V cを設けることにより、振動板 1 4をよリ撓ま 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 3 6に関し、本実施形態では、他の電極（駆動電極 3 3， 共通 下電極 3 7 ) 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 3 6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 3 6は、上層圧電体 3 4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 3 6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 3 6を 金で作製し、駆動電極 3 3及び共通下電極 3 7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 3 7及び駆動電極 3 3は 2 ~ 3 mであるのに対し、 共通上電極 3 6はその 1ノ 1 0程度 （例えば、 0 . 3 m) にする。 このように構 成すると、共通上電極 3 6を圧電素子 1 7に追従させて変形させることができ、圧 電素子 1 7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 1つ 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 3 6を 通じて電流を効率よく流すことができる。
図 6に示す第 2の実施例では、上層圧電体 3 4を圧力室 1 2の内寸法 w cよりも 幅広に構成すると共に、共通上電極 3 6を共通下電極 3 7よりも幅広に構成し、共 通上電極 3 6を上層圧電体 3 4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。
この実施例では、上層圧電体 3 4の幅 w p 1を、圧力室 1 2の内寸法 w cや下層 圧電体 3 5の幅 w p 2よりも広く、且つ、圧力室隔壁 3 8の幅中央同士の間隔 w c " (隔壁間隔 w c " ) よりも狭く形成している。 さらに、 この上層圧電体 3 4の幅方 向中央を、圧力室 1 2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 3 4を、圧力室隔壁 3 8の厚さ方向中央同士を結ぶ幅範囲（隔壁間隔 w c " 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 3 4同士の間に隙間を設けて、圧電素子 1 7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 3 6に関しては、 その電極幅 （形成幅） w e 1を上層圧電体 3 4の幅 w P 1に揃えている。言い換えれば、共通上電極 3 6を上層圧電体 3 4の幅 方向一端から他端に亘つて一連に形成している。なお、 この実施例の共通上電極 3 6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 . 3 /i m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。
この実施例では、上層圧電体 3 4の幅 w p 1が圧力室 1 2の幅方向の内寸法 w c よりも広く、共通上電極 3 6が上層圧電体 3 4の幅方向を覆うように形成されてい るので、駆動電極 3 3と共通上電極 3 6の間に発生される電場は、上層圧電体 3 4 の幅方向全域に亘つて作用する。 これにより、上層圧電体 3 4を幅方向全域に; Sつ て変形させることができる。 そして、 上層圧電体 3 4を圧力室幅 （内寸法 w c ) よ リも幅広に構成しているので、上層圧電体 3 4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 1 4に関し、圧力室 1 2の幅方向中央を大きく変形させることができ、圧電素子 1 7の変形を圧力室 1 2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 3 6の電極幅 w e 1を上共通下電極 3 7の電極幅 w e 3よりも 広く構成したことから、上層圧電体 3 4の変形範囲を下層圧電体 3 5の変形範囲よ リ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 3 4を下 層圧電体 3 5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 3 4の方 が下層圧電体 3 5よりも振動板 1 4から遠いので、上層圧電体 3 4の変形を増幅し て振動板 1 4に作用させることができる。従って、 この点でも、圧力室 1 2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 3 3の幅を下層圧電体 3 5の幅まで広げること もできる。 この様に、駆動電極 3 3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 1 7を可及的 に大きく変形させることが可能となリ、圧力室 1 2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 1 2の内寸法 w cは 1 6 0 mであり、圧力 室 1 2の形成ピッチ（図 6中における符号 w c " に相当する間隔） は 2 1 O jU mで あるため、上層圧電体 3 4の幅 w p 1を最大で圧力室 1 2の内寸法 w cの 1 . 3倍 程度まで広げることができる。
また、 上層圧電体 3 4の幅 w p 1が下層圧電体 3 5の幅 w p 2よりも広いので、 上層圧電体 3 4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 1 7を製造するには、まず、振動板 1 4上に共通下電極 3 7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 3 7が形成されたならぱ、この共通下電極 3 7の上に下層圧電体 3 5となる 圧電材料 (例えば、ジルユン酸チタン酸鉛)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 3 3、 上層圧電体 3 4、 共通上電極 3 6を順次形成する。
この形成工程において、上層圧電体 3 4を形成するためのマスクについては、各 上層圧電体 3 4に対応するパターンを下層圧電体 3 5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 3 4の幅 w p 1が下層圧電体 3 5の幅 w p 2よりも広いので、 上層圧電体 3 4によって駆動電極 3 3を確実に覆うことができる。これにより、馬区 動電極 3 3と共通電極 3 2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 3の実施形態では、下層圧電体 3 4についても圧力室 1 2の内寸法 w cよりも幅広に形成した点に特徴を有している。
この実施例では、下層圧電体 3 5の幅 w p 2を圧力室 1 2の内寸法 w c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 w c " が最も広く、 上層圧電体 3 4の幅 w p 1及び共通上電極 3 6の幅 w e 1が 2番目に広い。そして、下層圧電体 3 5の幅 w p 2及び駆動電極 3 3の幅 w e 2力 3番目に広く、圧力室 1 2の内寸法 w cが 4番目に広い。 さらに、共通下 電極 3 7の幅 w Θ 3が最も狭い。
なお、 この実施例においても、各部の幅方向中心は、圧力室 1 2の幅方向中心に 合わせられている。また、上層圧電体 3 4の厚さ t p 1は、下層圧電体 3 5の厚さ t p 2よりも厚い。 さらに、 この他の部分については、上記した実施例と同様の構 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、 この実施例では、駆動電極 3 3の幅 w e 2が下層圧電体 3 5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 1 7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、 この実施例でも共通上電極 3 6が 上層圧電体 3 4の幅方向を覆うように形成されているので、上層圧電体 3 4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、 この実施例でも、圧電素子 1 7の変形を圧力室 1 2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 3 4の幅 w p 1が下層圧電体 3 5の幅 w p 2より も広いので、上層圧電体 3 4によって駆動電極 3 3を確実に覆うことができる。 こ れによリ、駆動電極 3 3と共通電極 3 2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、この実施例では、下層圧電体 3 5の幅 w p 2が圧力室 1 2の幅方向の内 寸法 w cよりも広いので、弾性板 1 7における変形部分が圧電素子 1 7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つたことで変形に対する応答性 が向上し、圧電素子 1 7をより高い周波数で駆動することができる。その結果、 ィ ンク滴の高周波吐出が実現できる。なお、 この実施例では、下層圧電体 3 5の幅 w P 2を、上層圧電体 3 4の幅 w p 1よりも狭く設定しているが、上層圧電体 3 4の 幅 w p 1と同じ幅にまで広げることもできる。
また、以上は、液体噴射へッドの一種である記録へッドを例に挙げて説明したが、 本発明は、液晶噴射へッドゃ色材噴射へッド等といった他の液体噴射へッド、及び その圧電ァクチユエ一タにも適用できる。さらに、マイクロポンプ用の圧電ァクチュ エータにも適用できる。

Claims

請求の範囲
1 . 圧電ァクチユエータであって、
振動板と、
該振動板上に形成され、 所定の電位に固定される第 1共通電極と、 該第 1共通電極上に積層され、 第 1の厚さを有する第 1圧電体層と、 該第 1圧電体層上に積層され、外部よリ駆動信号が供給される駆動電極と、 該駆動電極上に積層され、該第 1の厚さよりも厚い第 2の厚さを有する第 2圧電体層と、
該第 2圧電体層上に積層され、該所定の電位に固定される第 2共通電極と を具備して成る。
2 . 圧電ァクチユエータであって、
振動板と、
該振動板上に形成され、 所定の電位に固定される第 1共通電極と、 該第 1共通電極上に積層され、第 1の方向に関して第 1の幅を有する第 1 圧電体層と、
該第 1圧電体層上に積層され、外部よリ駆動信号が供給される駆動電極と、 該駆動電極上に積層され、該第 1の方向に関して該第 1の幅よリも広い第
2の幅を有する第 2圧電体層と、
該第 2圧電体層上に積層され、該所定の電位に固定される第 2共通電極と を具備して成る。
3 . クレーム 1に記載の圧電ァクチユエータであって、
該駆動電極は第 1の方向に関して第 1の幅を有し、該第 2圧電体層は、該 第 1の方向に関して該第 1の幅よリも広い第 2の幅を有することで、該駆動電極の 該第 1の方向における両端部を覆う。
4. クレーム 2に記載の圧電ァクチユエータであって、
該駆動電極は該第 1の方向に関して第 2の幅よリも狭い第 3の幅を有する ことで、 該第 1の方向における両端部を該第 2圧電体層に覆われる。
5 圧電ァクチユエ一タであって、
振動板と、
該振動板上に形成され、 所定の電位に固定される第 1共通電極と、 該第 1共通電極上に積層される第 1圧電体層と、
該第 1圧電体層上に積層され、外部よリ駆動信号が供給される駆動電極と、 該駆動電極上に積層され、第 1の方向に関して第 1の幅を有する第 2圧電 体層,
該第 2圧電体層上に積層され、該所定の電位に固定されると共に、該第 1 の方向に関して該第 1の幅と略同一の第 2の幅を有する第 2共通電極とを具備して 成る。
6 . 液体噴射ヘッドであって、
液滴が吐出されるノズル開口と連通された空室の一部を該振動板が構成す るように、 クレーム 1に記載の圧電ァクチユエータを具備して成る。
7. クレーム 6に記載の液体噴射へッドであって、
該空室は第 1の方向に関して第 1の幅を有し、該第 2圧電体層は該第 1の 方向に関して該第 1の幅よリも広い第 2の幅を有する。
8. クレーム 6に記載の液体噴射へッドであって、
該空室は第 1の方向に関して第 1の幅を有し、該第 1圧電体層は該第 1の 方向に関して該第 1の幅よリも広い第 2の幅を有する。
9. 液体噴射へッドであって、
液滴が吐出されるノズル開口と連通された空室の一部を該振動板が構成す るように、 クレーム 2に記載の圧電ァクチユエータを具備して成る。
1 0 . クレーム 9に記載の液体噴射へッドであって、
該空室は、 該第 1方向に関して該第 2の幅よリも狭い第 3の幅を有する。
1 1 . クレーム 9に記載の液体噴射へッドであって、
該空室は、 該第 1方向に関して該第 1の幅よリも狭い第 3の幅を有する。
1 2. 液体噴射へッドであって、
液滴が吐出されるノズル開口と連通された空室の一部を該振動板が構成す るように、 クレーム 5に記載の圧電ァクチユエータを具備して成る。
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