JP2010017915A - 圧電ヘッド、インク液吐出装置、インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで変位量を大きくすることができ、高速駆動に対応することができ、さらに小型化に貢献することが可能な圧電ヘッド、インク液吐出装置、インクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【解決手段】圧電ヘッド１００を構成する圧電アクチュエータ１４０の振動板１１０の片面に形成された圧電素子１１２上に３つに分割されて形成された上部電極１１３のうち、真ん中の上部電極１１３を個別電極とし、両脇の電極を圧電ヘッド１００を構成する全ての圧電アクチュエータ１４０に共通して使用される共通電極とし、共通電極には共通電位を印加し、個別電極には共通電位とは独立して制御される共通電位と同じ大きさの個別電位を印加する。
【選択図】図５

Description

本発明は、変形可能な振動板と、前記振動板の一方の面に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に形成された上部電極と、を有する複数の圧電アクチュエータを有する圧電ヘッド、この圧電ヘッドを有するインク液吐出装置、インクジェット記録装置に関する。

現在、マイクロマシンのアクチュエータの駆動力として、圧電体を用いた圧電アクチュエータがある。マイクロマシンに利用されるアクチュエータは、小型化が求め続けられており、圧電アクチュエータに対しても同様に小型化が要求されている。

従来では、圧電アクチュエータの圧電素子として、圧電材料の上下に電極を有する構成が積層された積層型圧電素子が広く用いられている。積層圧電素子では、歪み量を大きくすることが可能であるが、積層構造であるため、マイクロマシンに利用する場合には小型化という観点では好ましくない。その上積層圧電素子を用いるためには、バルクの圧電素子をカッティングする等の必要があり、高度な技術を要する。積層圧電素子に対し、薄膜ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）により構成される圧電素子は、小型化の観点で大きな優位性を有する。そこで、圧電アクチュエータの中には、薄膜ＰＺＴを用いたものがある。

図１は、薄膜ＰＺＴを用いた従来の圧電アクチュエータを説明する図である。図１（Ａ）は、圧電アクチュエータ１０の概略を説明する斜視図、図１（Ｂ）は、圧電アクチュエータ１０のＡ−Ａ断面図、図１（Ｃ）は、圧電アクチュエータ１０の振動板１１が変位した場合のＡ−Ａ断面図である。

圧電アクチュエータ１０は、振動板１１と薄膜ＰＺＴで形成された圧電素子１２とを有する。圧電素子１２は、振動板１１の片面に形成されている。圧電素子１２と振動板１１との間には電極１３が形成され、圧電素子１２において振動板１１と接触する面と反対側の面には電極１４が形成されている。電極１３と電極１４には、図２に示す電圧が印加される。図２は、電極１３、１４に印加される電圧を説明する図である。電極１３には、接地電位が印加され、電極１４には圧電素子１２を駆動させる駆動電位Ｖｐが印加される。

圧電アクチュエータ１０では、圧電素子１２が振動板１１の中央部に形成されている。図１（Ｃ）に示すように、電極１４に駆動電圧が印加されると、圧電素子１２は、振動板１１の一方の面（圧電素子１２が形成されている方の面）を伸縮させる。圧電アクチュエータ１０では、これにより、圧電素子１２自体の歪みは小さいながらも、振動板１１の面外方向の変位量を大きくとることができる。

尚図１に示す圧電アクチュエータ１０では、圧電素子１２を振動板１１の中央部にのみ形成することで振動板１１の面外方向の変位量を大きくとることができるが、例えば圧電素子１２を振動板１１の一方の全面に設けた場合、面外方向の変位量は抑制される。これは、振動板１１の片面全てが圧電素子１２の伸縮と合わせて伸びる領域又は縮む領域となり、撓みが生じなくなるためである。

圧電アクチュエータ１０の集積度が増してくると、振動板１１の幅が狭くなるため、振動板１１に撓みが生じにくくなる。

この状態で面外方向の変位量を大きくするためには、圧電素子１２に印加する駆動電圧を大きくすれば良い。

しかしながら、圧電素子１２に印加する駆動電圧を大きくすると、イオンマイグレーションによる圧電素子１２のダメージが発生し易くなる。イオンマイグレーションは主に空気中の湿気により電気化学反応が起こって、電極金属がイオン化して溶け出すことにより発生する。イオンマイグレーションは温度１００℃以下、電流密度１ｍＡ／ｃｍ2以下、湿度が高いほど発生頻度が高くなる。イオンマイグレーションによる破壊時間は電界強度が高いほど短くなるため、高電圧を印加する電子部品は空気中の湿気の影響を除く処置を施さなければ故障頻度が高まる。さらに空気中に存在するＮｏｘ、ＮＨ3、Ｃｌが水滴に吸着することにより、イオンマイグレーションが促進されてしまう。したがって電子部品を外気にさらしたままにしておいた場合、容易に酸化、塩化、硫化が発生し、マイグレーションの発生原因となり得る。このため高い駆動電圧が印加される圧電アクチュエータ１０は、イオンマイグレーションが生じ易いと言える。

そこで、近年の圧電アクチュエータでは、集積度を高めることができ、且つ駆動電圧を大きくせずに面外方向の変位量を大きくする工夫がなされている。

例えば特許文献１には、振動板の短辺方向において圧電素子を分割し、振動板の面内方向の圧電素子の伸縮を、面外方向の圧電素子の伸縮と逆にして、変位量を大きくする技術が開示されている。またと特許文献２には、各アクチュエータ内で分割された圧電素子の個別電極を各アクチュエータ間で結合させて共通電極とする構成が開示されている。
特開２００３−８０９１号公報 特許第３７５０７０９号公報

しかしながら、特許文献１記載の発明は、各アクチュエータに共通電極以外に実質２つの個別電極が必要となり、駆動ドライバ等の増加により大幅なコストアップが予想される。また特許文献２記載の発明では、変位量を大きくするために、タイミングの異なる２つのパルスを必要とするため、高速駆動に不向きである。

本発明は、上記事情を鑑みて、これを解決すべくなされたものであり、低コストで変位量を大きくすることができ、高速駆動に対応することができ、さらに小型化に貢献することが可能な圧電ヘッド、インク液吐出装置、インクジェット記録装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の如き構成を採用した。

本発明は、変形可能な略長方形状の振動板と、前記振動板の一方の面に形成された下部電極と、前記下部電極において前記振動板と接する面と反対側の面に形成された圧電体層と、前記圧電体層において前記下部電極と接する面と反対側の面に、前記振動板の短辺方向の断面において３つに分割されて形成された上部電極と、を有する圧電アクチュエータを複数有する圧電ヘッドであって、前記複数の圧電アクチュエータの前記下部電極には、第一の共通電位が印加され、前記複数の圧電アクチュエータの前記３つに分割されて形成された上部電極のうち、真ん中に位置する上部電極には、前記振動板の変形を制御するための制御電位が印加され、前記複数の圧電アクチュエータの前記３つに分割されて形成された上部電極のうち、前記真ん中に位置する上部電極以外の上部電極には、第二の共通電位が印加される構成とした。

また本発明の圧電ヘッドにおいて、前記第一の共通電位を基準電位としたとき、前記第二の共通電位と、前記制御電位とは、前記第一の共通電位と異なる電位であり、前記第二の共通電位と、前記制御電位とは、同期して印加される構成とした。

また本発明の圧電ヘッドにおいて、前記制御電位の大きさと前記第二の共通電位の大きさは、略同じ大きさである構成とした。

本発明の圧電ヘッドにおいて、前記上部電極は、前記振動板の変曲点を挟んで前記圧電体層上に形成される構成とした。

本発明は、インクが蓄えられるインク液室と、前記インク液室から前記インクを吐出するためのノズル孔と、前記インク液室の一部を成す変形可能な振動板と、前記振動板を変形させる圧電ヘッドと、を有し、前記振動板の変形により前記インク液室から前記インクを吐出するインク液吐出装置であって、前記圧電ヘッドは、上記圧電ヘッドの何れか一つである構成とした。

本発明は、インクを吐出するインク液吐出装置を有し、前記インク液吐出装置からインク吐出させて記録媒体に前記インクを付着させるインクジェット記録装置であって、前記インク液吐出装置は、上記インク液吐出装置である構成とした。

本発明によれば、低コストで変位量を大きくすることができ、高速駆動に対応することができ、さらに小型化に貢献することができる。

本発明では、圧電ヘッドを構成する圧電アクチュエータの振動板の片面に形成された圧電素子上に３つに分割されて形成された上部電極のうち、真ん中の上部電極を個別電極とし、両脇の電極を、圧電ヘッドを構成する全ての圧電アクチュエータに共通して使用される共通電極とする。共通電極には共通電位を印加し、個別電極には共通電位とは独立して制御される共通電位と同じ大きさの個別電位を印加する。

以下に本実施形態の圧電ヘッドの説明に先立ち、図３を参照して上部電極を分割して形成する際の上部電極の分割について説明する。図３は、上部電極の分割について説明する図である。図３（Ａ）は、振動板１１Ａの撓みを説明する図であり、図３（Ｂ）は、上部電極１４Ａの形成位置を説明する第一の図であり、図３（Ｃ）は、上部電極１４Ａの形成位置を説明する第二の図である。

図３（Ａ）では、圧電アクチュエータ１０Ａにおいて、隔壁１５に支持された振動板１１Ａが一次振動モードで振動した場合の振動板短辺方向の断面図を示している。尚振動板１１Ａの形状は、図１（Ａ）と同様の略長方形状であり、振動板短辺方向の断面とは、図１（Ａ）のＡ−Ａ断面と同様である。振動板１１Ａが一次振動モードで振動した場合、図３（Ａ）に示す形状となる。振動板１１Ａの形状は、加えられる荷重の分布、振動板１１Ａの厚み分布等に依存する。

振動板１１Ａにおいて、領域Ａ１〜Ａ５における撓みについて考える。振動板１１Ａでは、領域Ａ２、領域Ａ４の撓みと比較して、特に領域Ａ１、領域Ａ３、領域Ａ５の撓みが大きくなる。その部分（領域Ａ１、領域Ａ３、領域Ａ５）に振動板１１Ａを撓める力を積極的に加えることにより、振動板１１Ａ全体の撓み（変位）を大きくすることができる。また、撓みが大きいということはその部分の曲率半径が小さいということを意味する。本発明では、振動板１１Ａの曲率半径が極小値をとなる領域に振動板１１Ａを撓めるための圧電素子が形成されることが好ましい。尚領域Ａ２、領域Ａ４は、曲率半径が最も大きい部分であり、変曲点を含んでいる。

図３（Ｂ）に示すように、圧電素子１２Ａ、１２Ｂ、下部電極１３Ａ、１３Ｂ、上部電極１４Ａ、１４Ｂは、変曲点を含む領域Ａ２、領域Ａ４を挟んだ両側で、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂの伸縮が逆になるようにしている。このため、図１に示すように圧電素子を分割しない場合と比べて振動板１１Ａの変位量を大きくすることができる。尚圧電素子１２Ａ、下部電極１３Ａ、上部電極１４Ａは、図３（Ｃ）に示すように、隔壁１５と重ならないように形成されても良い。

図４は、図３に示す圧電アクチュエータ１０Ａの駆動方法を説明する図である。

振動板１１Ａに形成された下部電極１３Ａ、１３Ｂは共通の電圧が印加される共通電極（以下、共通電極ＣＯＭ）であり、０Ｖが印加される。上部電極１４Ａには、圧電素子１２Ａの駆動電圧ＳＥＧ１が印加され、上部電極１４Ｂには圧電素子１２Ｂの駆動電圧ＳＥＧ２が印加される。

圧電アクチュエータ１０Ａでは、駆動電圧ＳＥＧ１と駆動電圧ＳＥＧ２とを逆極性にすることにより、振動板１１Ａを変位させることができる。例えば図４に示すように、圧電素子１２Ａと圧電素子１２Ｂに電圧を印加する際に、タイミングＴ１に示すように、駆動電圧ＳＥＧ１と駆動電圧ＳＥＧ２の極性を逆にして印加する。尚駆動電圧ＳＥＧ１と駆動電圧ＳＥＧ２の電位は、同電位であることが好ましい。

このようにして振動板１１Ａに変位を持たせる場合には、図２に示す駆動電圧Ｖｐの１／２の電圧で従来の図１に示す振動板１１の変位量と同程度の変位量を得ることができる。

また、振動板１１Ａを変位させたくない場合には、タイミングＴ２のように駆動電圧ＳＥＧ１と駆動電圧ＳＥＧ２とを０Ｖとする。どちらか一方に駆動電圧を印加した場合、変位量δ１の半分程度の変位が生じ、ほとんどの用途において好ましくないと考えられるからである。

図３、図４で説明した構成では、上部電極１４Ａ、１４Ｂそれぞれに逆極性の駆動電圧ＳＥＧ１、ＳＥＧ２を印加する必要があるため、上部電極１４Ａ、１４Ｂそれぞれに独立した駆動ドライバが必要となる。

以下に説明する本発明では、振動板に上部電極を分割して形成した場合にも、独立した駆動ドライバを必要とせず、さらに小さい駆動電圧で変位量δ１と同程度の変位を得ることができる。このため本発明によれば、低コストで且つ高速駆動にも対応可能であり、寿命が長く、小型化に貢献することが可能となる。

（第一の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第一の実施形態について説明する。図５は、第一の実施形態の圧電ヘッド１００の概略を説明する図である。

圧電ヘッド１００は、例えばインクジェット方式の印刷装置等に用いられる。圧電ヘッド１００は、隔壁１２３に支持された振動板１１０、インク液室１２１等が形成されるセラミック層１２０、インクが吐出されるノズル孔１３１が形成されるステンレス層１３０を有する。

振動板１１０において、セラミック層１２０が形成される面と反対側の面には、後述する下部電極１１１、圧電素子１１２、上部電極１１３が前述の順に振動板１１０上に積層されており、圧電アクチュエータ１４０を構成している。

圧電アクチュエータ１４０は、圧電ヘッド１００に設けられたインク液室１２１毎に圧電アクチュエータ１４０ａ、圧電アクチュエータ１４０ｂというように設けられて圧電ヘッド１００を構成している。

図６は、第一の実施形態の圧電ヘッド１００のＡ−Ａ断面図である。

図６に示す圧電アクチュエータ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃの構成は同様であるため、代表例として圧電アクチュエータ１４０ａの構成について説明する。

圧電アクチュエータ１４０ａでは、振動板１１０において、インク液室１２１が形成される面と反対側の面に下部電極１１１が形成されている。そして下部電極１１１において、振動板１１０と接する面と反対側の面に圧電素子１１２が形成されている。尚本実施形態では、振動板１１０は圧電アクチュエータ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃにおいて共通に利用される。また下部電極１１１及び圧電素子１１２も振動板１１０と同様に、圧電アクチュエータ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃにおいて共通に利用される。したがって下部電極１１１及び圧電素子１１２は、振動板１１０上に振動板１１０と同様の面積となるように形成されることが好ましい。

圧電アクチュエータ１４０ａでは、圧電素子１１２において下部電極１１１と接する面と反対側の面に上部電極１１３が形成されている。上部電極１１３は、上部電極１１３ａ、上部電極１１３ｂ、上部電極１１３ｃの３つに分割されて形成されている。尚上部電極１１３ａ、上部電極１１３ｂ、上部電極１１３ｃは、図３で説明したように、変曲点を含む領域Ｈを挟んで形成されている。何領域Ｈは狭い方が好ましい。また本実施形態の上部電極１１３ａ、上部電極１１３ｃは、隔壁１２３と重なるように形成されている。

本実施形態では、下部電極１１２を第一の共通電極Ｃ１とする。共通電極Ｃ１は、圧電アクチュエータ１４０を構成する各圧電アクチュエータ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃにおいて共通して使用される電極であり、グランドに接続されて第一の共通電位ＣＯＭ１が印加される。

本実施形態の３つに分割された上部電極１１３のうち、真ん中に位置する上部電極１１３ｂを、個別電極Ｓとする。個別電極Ｓは、圧電アクチュエータ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃにおいてそれぞれが電気的に独立している。上部電極１１３ｂには、圧電素子１１２の駆動を制御する制御電位である個別電位ＳＥＧが印加される。

本実施形態の３つに分割された上部電極１１３のうち、領域Ｈを挟んで上部電極１１３ｂの両側に配置された上部電極１１３ａ、上部電極１１３ｃを第二の共通電極Ｃ２とする。共通電極Ｃ２は、圧電アクチュエータ１４０を構成する各圧電アクチュエータ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃにおいて共通して使用される電極であり、第二の共通電位ＣＯＭ２が印加される。

このように、本実施形態では、３つに分割された上部電極１１３のうち、上部電極１１３ａ、１１３ｃを、圧電アクチュエータ１４０を構成する複数の圧電アクチュエータにおける共通電極Ｃ２として利用する。本実施形態では、この構成により、各圧電アクチュエータ毎に必要となる駆動ドライバを個別電極Ｓ用の駆動ドライバのみとすることができる。

以下に、図７を参照して本実施形態の圧電アクチュエータ１４０の駆動方法について説明する。図７は、圧電アクチュエータ１４０の駆動方法を説明する図である。

本実施形態では、共通電極Ｃ１はグランドと接続されている。よって共通電極Ｃ１に印加される共通電位ＣＯＭ１は０Ｖである。

共通電極Ｃ２には、所定間隔で供給されるパルス信号である共通電圧ＣＯＭ２が印加されている。本実施形態では、個別電極Ｓに印加される個別電圧ＳＥＧを、共通電圧ＣＯＭ２と同期して印加させることにより、振動板１１０を変位させる。

例えば振動板１１０を変位させる場合には、個別電圧ＳＥＧを共通電圧ＣＯＭ２とは逆極性の電圧とすれば良い。また振動板１１０を変位させない場合には、個別電圧ＳＥＧを共通電圧ＣＯＭ２と同極性の電圧とすれば良い。

例えば図７に示すタイミングＴａでは、共通電極Ｃ２に印加される共通電圧ＣＯＭ２は電圧値Ｖｐａである。またタイミングＴａにおいて、個別電極Ｓに印加される個別電圧ＳＥＧの電圧値は、電圧値Ｖｐａと同極性の電圧値Ｖｐｂである。したがってタイミングＴａでは、振動板１１０は変位しないことがわかる。

またタイミングＴｂでは、個別電極Ｓに印加される個別電圧ＳＥＧの電圧値は、電圧値Ｖｐａと逆極性の電圧値−Ｖｐｂである。したがってタイミングＴｂでは、振動板１１０は変位することがわかる。

尚本実施形態では、共通電圧ＣＯＭ２の電圧値Ｖｐａと個別電圧ＳＥＧの電圧値Ｖｐｂとは同程度であることが好ましい。

以上に説明したように、本実施形態の圧電アクチュエータ１４０ａでは、共通電極ＣＯＭ１及び共通電極ＣＯＭ２には、圧電アクチュエータ１４０を構成する他の圧電アクチュエータ１４０ｂ、１４０ｃと共通の電圧信号が印加される。そして個別電極Ｓには、圧電アクチュエータ１４０ａの駆動を制御する個別電圧ＳＥＧが印加される。すなわち本実施形態の圧電アクチュエータ１４０ａの駆動は、個別電圧ＳＥＧのみで制御される構成である。

上記構成は、圧電ヘッド１００を構成する各圧電アクチュエータ１４０ｂ、圧電アクチュエータ１４０ｃにおいても同様である。尚本実施形態では、圧電アクチュエータ１４０は、３つの圧電アクチュエータ１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃで構成されるものとして説明したが、これに限定されない。圧電アクチュエータ１４０は、任意の数の圧電アクチュエータで構成することができる。

このように本実施形態では、複数の圧電アクチュエータ１４０により構成される圧電ヘッド１００において、圧電アクチュエータ１４０の有する上部電極１１３のうち、別の圧電アクチュエータと隣接する上部電極１１３ａ、１１３ｃを共通電極Ｃ２として使用する。

したがって本実施形態の圧電ヘッド１００の駆動に際し、共通電極Ｃ２に共通電圧ＣＯＭ２を印加する１つの共通ドライバと、圧電ヘッド１００を構成する各圧電アクチュエータの個別電極Ｓに個別電圧ＳＥＧを印加するための各圧電アクチュエータと同数の駆動ドライバと、を有する構成であれば良い。

このため本実施形態では、３つに分割された上部電極それぞれに独立した駆動ドライバを設ける必要がなく、駆動ドライバの数を低減させ、コストを削減することができる。また本実施形態では、共通電極Ｃ２に印加される共通電圧ＣＯＭ２と同期して個別電極Ｓに印加される個別電圧ＳＥＧとを同期させて駆動を制御するため、共通電極ＣＯＭ２と個別電極ＳＥＧとのそれぞれを独立して制御する必要がなく、高速駆動に対応することができる。

また本実施形態では、共通電圧ＣＯＭ２と逆極性の個別電圧ＳＥＧにより圧電素子１１２の駆動を制御する。このため本実施形態では、圧電素子１１２の駆動電圧値を低い値としても、振動板１１０を大きく変位させることができる。よって本実施形態では、圧電素子１１２の劣化を抑制することができ、長期間にわたる圧電素子１１２の使用を可能にする。

次に、図８を参照して、本実施形態の圧電アクチュエータ１４０の駆動シミュレーションした結果について説明する。図８では、本実施形態の圧電アクチュエータ１４０の駆動シミュレーションとして、シミュレーション用の圧電アクチュエータ１５０によるシミュレーションを行った。図８（Ａ）は、圧電アクチュエータ１５０を示す図であり、図８（Ｂ）は、シミュレーション時の駆動電圧を示す図であり、図８（Ｃ）はシミュレーション結果を示す図である。

圧電アクチュエータ１５０は、隔壁１２３Ａに保持された振動板１１０Ａ上の３つに分割された下部電極１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃが形成されている。下部電極１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ上には、圧電素子１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃが形成されており、その上にはさらに、上部電極１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃが形成されている。尚下部電極１５１ａ、圧電素子１５２ａ、上部電極１５３ａと、下部電極１５１ｃ、圧電素子１５２ｃ、上部電極１５３ｃは、隔壁１２３Ａと重ならないように形成されている。

圧電アクチュエータ１５０では、上部電極１５３ａ、１５３ｃは圧電素子１５２ａ、１５２ｃにより振動板１１０Ａを収縮させ、上部電極１５３ｂは圧電素子１５２ｂにより振動板１１０Ａを伸長させる構成とした。

材料定数として、振動板１１０Ａ、圧電素子１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ共に、ヤング率＝２１０Ｇｐａ，ポアソン比＝０．２９とし、厚みも共に同じ０．５μｍとした。また、振動板１１０Ａの短辺方向長さを６０μｍとし、圧電素子１５２ａ、１５２ｃの幅Ｌｄ１＝１５μｍ、圧電素子１５２ｂの幅をＬｄ２＝３０μｍとし、分割された圧電素子１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ間で切れ間の無い構成で計算した。一方、圧電素子１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃの伸縮量として、無負荷の場合に、振動板短辺方向に伸びる長さを、元の長さＬｄ１、Ｌｄ２に対する比ＦＬ１、ＦＬ２で表す。このモデルでは図８（Ｂ）に示すように、下部電極１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃに共通電圧ＣＯＭ３（０Ｖ）、上部電極１５３ａ、１５３ｃに共通電圧ＣＯＭ４、上部電極１５２ｂに駆動電圧ＳＥＧ３を印加することを想定している。尚共通電圧ＣＯＭ４の電圧値Ｖｐ３と、駆動電圧ＳＥＧ３の電圧値Ｖｐ４は、ほぼ同じ大きさとした。

この条件のもとで、シミュレートした結果を図８（Ｃ）に示す。ｃａｓｅ０は比較のための計算結果であり、図８（Ｂ）のタイミングＴｃの駆動波形を印加した場合を想定したものである。ｃａｓｅ１は、図８（Ｂ）のタイミングＴｄの駆動波形を印加した場合を想定した計算結果であり、ｃａｓｅ２は図８（Ｂ）のタイミングＴｅの駆動波形を印加した場合を想定した計算結果である。

ｃａｓｅ０の変位量に対して、ｃａｓｅ１では変位量の大きさが４倍に、ｃａｓｅ２では１／９倍になっており、ｃａｓｅ１の変位量はｃａｓｅ２の変位量の１８倍である。つまり、圧電素子１５２ａ、１５２ｃ及び圧電素子１５２ｂの伸縮方向を逆にすると、振動板１１０Ａの変位量が大きくなるが、伸縮方向を同じにすると振動板１１０Ａの変位量は大きく低下することが分かる。

本実施形態の圧電アクチュエータ１４０でも、圧電アクチュエータ１５０と同様に、図７に示すタイミングＴｂのときの振動板１１０の変位量は、タイミングＴａのときの変位量の約１８倍程度となる。

本実施形態の圧電アクチュエータ１４０のように、変位量が小さいときと大きいときとの差が１８倍もある場合、変位量の変化をＯＮ／ＯＦＦとして使用することができる。すなわち、本実施形態の圧電アクチュエータ１４０は、ＯＮ／ＯＦＦの切換を行うスイッチ等としても使用することができる。

次に、図９を参照して本実施形態の圧電アクチュエータ１４０の製造方法について説明する。図９は、圧電アクチュエータ１４０の製造方法を説明する図である。

先ず、Ｓｉ基板３０（図９（Ａ））の一面に高濃度ボロンを時間制御で注入し、２μｍ程度の高濃度ボロン層３１を形成する（図９（Ｂ））。次に、高濃度ボロン層とは逆の面に、ＳｉＯ２膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で形成し、その後各圧電アクチュエータ１４０のインク液室１２１となる部分のＳｉＯ２膜を除去する。次に、ＫＯＨを用いて、インク液室１２１となる部分のＳｉを高濃度ボロン層に到達するまでエッチングし、振動板１１０を形成する（図９（Ｃ））。次に、高濃度ボロン層の上面にＳｉＯ２膜３２を形成する（図９（Ｄ））。その後は、図９（Ｅ）に示すように、圧電素子１１２の下部電極１１１、圧電素子１１２、上部電極１１３を順次積層して、圧電アクチュエータ１４０とする。尚本実施形態の図９の例では、下部電極１１１と圧電素子１１２はベタ膜としたが、上部電極はパターンを形成して各圧電アクチュエータに電気的に独立した圧電素子１１２を形成している。

このように本実施形態の圧電アクチュエータ１４０は、薄膜により圧電素子を形成することができるため、圧電ヘッド１００の小型化に貢献することができる。

尚本実施形態の圧電アクチュエータ１４０は、下部電極１１１と圧電素子１１２とがベタ膜で形成されたものとしたが、これに限定されない。図１０から図１２に圧電アクチュエータ１４０の変形例を示す。

図１０は、圧電アクチュエータ１４０の第一の変形例を示す図である。圧電アクチュエータ１４０は、例えば図１０に示す圧電アクチュエータ１４０Ａのように、下部電極１１１のみがベタ膜で形成され、圧電素子１１２ａは、上部電極１１３と同様に３つに分割されていても良い。

図１１は、圧電アクチュエータ１４０の第二の変形例を示す図である。圧電アクチュエータ１４０は、図１１に示す圧電アクチュエータ１４０Ｂのように、下部電極１１１ａ、圧電素子１１２ａ、上部電極１１３がすべて３つに分割されて形成されていても良い。

図１２は、圧電アクチュエータ１４０の第三の変形例を示す図である。圧電アクチュエータ１４０は、図１２に示す圧電アクチュエータ１４０Ｃのように、下部電極１１１ｂ、圧電素子１１２ｂ、上部電極１１３Ａがすべて３つに分割されて形成されており、さらに隔壁１２３と重ならない部分が存在するように形成されていても良い。

次に、図１３を参照して本実施形態の圧電ヘッド１００をインク液吐出装置２００に適用した場合の動作について説明する。図１３は、圧電ヘッド１００をインク液吐出装置２００に適用した場合を説明する図である。

インク液吐出装置２００では、圧電アクチュエータ１４０の隔壁１２３と振動板１１０に囲われたインク液室１２１にインク液が蓄えられている。インク液室１２１では、振動板１１０が形成された側と反対側に、インクが吐出されるノズル孔１３１が形成されている。

インク液吐出装置２００では、下部電極１１１、上部電極１１３により圧電素子１１２に電圧が印加され、振動板１１０が撓むと、インク液室１２１の容積が変化する。インク液室１２１では、容積の変化による圧力で内部のインクがノズル孔１３１から液滴３０として吐出される。吐出された液滴３０が記録媒体４０上に付着することにより、記録媒体４０上に画像等を形成することができる。

インク液吐出装置２００では、圧電ヘッド１００を適用しているため、従来と比較して低い駆動電圧で、振動板１１０の変位を大きく変位させることができる。このためインク液室１２１に対する圧力も大きくなる。したがってインク液吐出装置２００は、低駆動電圧でインクを吐出することができる。

（第二の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第二の実施形態について説明する。本発明の第二の実施形態では、インク液吐出装置２００を適用したインクジェット記録装置について説明する以下の第二の実施形態の説明において、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには、第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。

図１４は、第二の実施形態のインクジェット記録装置３００を説明する斜視図であり、図１５は、第二の実施形態のインクジェット記録装置３００の機構部の側面図である。

インクジェット記録装置３００は、インクジェット記録装置３００の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ３６０、キャリッジに搭載したカートリッジ３０５からなる記録ヘッド３０７、記録ヘッド３０７を駆動、制御する駆動装置、記録ヘッド３０７を有する印字機構部３１０等が収納されている。記録ヘッド３０７において、カートリッジ３０５の下方には、キャリッジ３６０に保持されたインク液吐出装置２００が配置されている。

またインクジェット記録装置３００の下方部には、前方側から多数枚の記録媒体（用紙）４０を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい）３２０を抜き差し自在に装着することができる。

またインクジェット記録装置３００は、用紙４０を手差しで給紙するための手差しトレイ３３０を開倒することができる。インクジェット記録装置３００は、給紙カセット３２０或いは手差しトレイ３３０から給送される用紙４０を取り込み、印字機構部３２０によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ３５０に排紙する。

またインクジェット記録装置３００は、記録時には、キャリッジ３６０を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド３０７を駆動することにより、停止している用紙４０にインクを吐出して１行分を記録し、用紙４０を所定量搬送後次の行の記録を行う。インクジェット記録装置３００は、記録終了信号又は用紙４０の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙４０を排紙する。

以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

薄膜ＰＺＴを用いた従来の圧電アクチュエータを説明する図である。 電極１３、１４に印加される電圧を説明する図である。 上部電極の分割について説明する図である。 図３に示す圧電アクチュエータ１０Ａの駆動方法を説明する図である。 第一の実施形態の圧電ヘッド１００の概略を説明する図である。 第一の実施形態の圧電ヘッド１００のＡ−Ａ断面図である。 圧電アクチュエータ１４０の駆動方法を説明する図である。 圧電アクチュエータ１４０の駆動シミュレーションについて説明する図である。 圧電アクチュエータ１４０の製造方法を説明する図である。 圧電アクチュエータ１４０の第一の変形例を示す図である。 圧電アクチュエータ１４０の第二の変形例を示す図である。 圧電アクチュエータ１４０の第三の変形例を示す図である。 圧電ヘッド１００をインク液吐出装置２００に適用した場合を説明する図である。 第二の実施形態のインクジェット記録装置３００を説明する斜視図である。 第二の実施形態のインクジェット記録装置３００の機構部の側面図である。

符号の説明

１００ 圧電ヘッド
１１０ 振動板
１１１ 下部電極
１１２ 圧電素子
１１３、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ 上部電極
１２１ インク液室
１２３ 隔壁
１３１ ノズル孔
１４０、１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ 圧電アクチュエータ
２００ インク液吐出装置
３００ インクジェット記録装置

Claims (6)

1. 変形可能な略長方形状の振動板と、前記振動板の一方の面に形成された下部電極と、前記下部電極において前記振動板と接する面と反対側の面に形成された圧電体層と、前記圧電体層において前記下部電極と接する面と反対側の面に、前記振動板の短辺方向の断面において３つに分割されて形成された上部電極と、を有する圧電アクチュエータを複数有する圧電ヘッドであって、
   前記複数の圧電アクチュエータの前記下部電極には、第一の共通電位が印加され、
   前記複数の圧電アクチュエータの前記３つに分割されて形成された上部電極のうち、真ん中に位置する上部電極には、前記振動板の変形を制御するための制御電位が印加され、
   前記複数の圧電アクチュエータの前記３つに分割されて形成された上部電極のうち、前記真ん中に位置する上部電極以外の上部電極には、第二の共通電位が印加される圧電ヘッド。
2. 前記第一の共通電位を基準電位としたとき、
   前記第二の共通電位と、前記制御電位とは、前記第一の共通電位と異なる電位であり、
   前記第二の共通電位と、前記制御電位とは、同期して印加される請求項１記載の圧電ヘッド。
3. 前記制御電位の大きさと前記第二の共通電位の大きさは、略同じ大きさである請求項２記載の圧電ヘッド。
4. 前記上部電極は、前記振動板の変曲点を挟んで前記圧電体層上に形成される請求項１ないし３の何れか一項に記載の圧電ヘッド。
5. インクが蓄えられるインク液室と、前記インク液室から前記インクを吐出するためのノズル孔と、前記インク液室の一部を成す変形可能な振動板と、前記振動板を変形させる圧電ヘッドと、を有し、前記振動板の変形により前記インク液室から前記インクを吐出するインク液吐出装置であって、
   前記圧電ヘッドは、請求項１ないし４の何れか一項に記載の圧電ヘッドであるインク液吐出装置。
6. インクを吐出するインク液吐出装置を有し、前記インク液吐出装置からインク吐出させて記録媒体に前記インクを付着させるインクジェット記録装置であって、
   前記インク液吐出装置は、請求項５記載のインク液吐出装置であるインクジェット記録装置。

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