JP2011167875A - 圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】見かけ上の圧電特性の低下を抑制する。
【解決手段】圧電アクチュエータ３２は、積層された上部圧電層４０及び下部圧電層４１と、上部圧電層４０の上面に配置された複数の個別電極４３と、上部圧電層４０と下部圧電層４１の間に配置された第１共通電極４４及び第２共通電極４５と、接着剤４２を介して下部圧電層４１と接着された金属膜４６とを有している。下部圧電層４１の第１共通電極４４と重なる部分には、凹部４１ａが形成されている。個別電極４３は所定の駆動電位とグランド電位のいずれかの電位が選択的に付与され、第１共通電極４４は駆動電位に保持され、第２共通電極４５はグランド電位に保持される。接着剤４２は、下部圧電層４１よりも誘電率の低い接着剤であり、下部圧電層４１と金属膜４６を接着している。また、下部圧電層４１の凹部４１ａにも接着剤４２が充填されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、圧電アクチュエータ及びその製造方法に関する。

従来から、様々な技術分野において、圧電層に電界が作用したときの圧電層の変形（圧電歪み）を利用して対象を駆動する圧電アクチュエータが用いられている。このような圧電アクチュエータは、一般的に、積層された複数の圧電層と、これら複数の圧電層間や圧電層の表面に配置された多数の電極からなり、２つの電極に挟まれた圧電層に活性部が形成されているが、その中には、２つの圧電層の間にグランド電位と異なる定電位に保持される内部電極が設けられているものがある。

例えば、特許文献１の図１６に記載のインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータは、２枚の圧電層が積層されており、これら２枚の圧電層のうち上側の圧電層にグランド電位と所定の正電位のいずれかの電位が選択的に付与される個別電極が配置され、２つの圧電層の間には、それぞれ重ならないように上記正電位に保持される内部電極とグランド電位に保持される内部電極が配置されている。そして、個別電極とそれぞれの内部電極は互いに対向しており、これらの電極にそれぞれ挟まれた圧電層部分が分極処理され、電界の作用により変形する活性部となっている。また、一方で、特許文献２には、金属製の振動板を備えた圧電アクチュエータが記載されている。

特開２００９−９６１７３号公報（図１６） 特開２００９−２０８２２３号公報

ここで、特許文献１に記載の圧電アクチュエータに対して、特許文献２の金属製の振動板を配置すると、２つの圧電層の間に配置された第１電極は正電位に保持されていることから、第１電極と振動板の間の圧電層に電圧がかかり、この圧電層部分が収縮してしまう。その影響でその上に位置する活性部にも圧縮力が作用し、活性部の変形が抑制され、活性部の見かけ上の圧電特性が低下してしまう。

そこで、本発明の目的は、正電位が付与される内部電極と圧電層表面の金属膜との間に配置された圧電層の変形を抑制するとともに、見かけ上の圧電特性の低下を抑制する圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの製造方法を提供することである。

本発明の圧電アクチュエータは、厚み方向に積層された複数の圧電層と、前記複数の圧電層のうちいずれか２枚の圧電層間に配置され、グランド電位と異なる第１電位が付与される第１電極と、前記複数の圧電層の積層方向における前記第１電極よりも一方側に配置され、前記第１電位と異なる第２電位が付与される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に挟まれた前記圧電層に形成され、分極処理された活性部と、前記複数の圧電層の前記積層方向における前記第１電極よりも他方側の表面に配置された金属膜と、を備えており、前記第１電極に対して前記活性部と反対側にあり、前記金属膜と接触する圧電層には、前記積層方向に関して前記第１電極と重なる部分に、前記金属膜が配置される表面側から凹んだ凹部が形成されており、前記第１電極と前記金属膜に挟まれた前記凹部には、前記圧電層よりも誘電率の低い充填剤が充填されている。

本発明の圧電アクチュエータによると、グランド電位と異なる第１電位が付与された第１電極と金属膜との間には電圧がかかるが、第１電極と金属膜の間には、凹部が形成された圧電層以外に、凹部に充填された圧電層よりも誘電率の低い充填剤が配置されているため、圧電層にかかる電圧を低くして、この圧電層に生じる収縮を緩和することで、第１電極と第２電極とに挟まれた圧電層の活性部に生じる圧縮力を緩和して、活性部の見かけ上の圧電特性が低下するのを抑制することができる。

また、前記充填剤は、前記圧電層と前記金属膜を接着する接着剤であることが好ましい。これによると、圧電層と金属膜を接着しながら、凹部に誘電率の低い材料を充填することができる。

さらに、前記第２電位はグランド電位であり、前記第１電極は、前記積層方向に関して前記第２電極の一部と対向し、前記第１電位に保持されており、平面視で前記第１電極と重ならない領域において、前記複数の圧電層の前記積層方向における前記第２電極と異なる位置に配置され、前記積層方向に関して前記第２電極の一部と対向し、グランド電位に保持される第３電極をさらに備えており、前記第２電極は、グランド電位と前記第１電位のいずれかの電位が選択的に付与されることが好ましい。これによると、第３電極はグランド電位であるため、第３電極と金属膜の間の圧電層に電圧が印加され、収縮が生じることはない。一方、第１電位の第１電極と金属膜との間には電圧がかかるため、第１電極と金属膜の間に、凹部が形成された圧電層以外に、凹部に充填された圧電層よりも誘電率の低い充填剤が配置されることで、この圧電層にかかる電圧を低くし、圧電層に生じる収縮を緩和している。

このとき、前記第３電極の厚みは、前記第１電極よりも厚いことが好ましい。これによると、第３電極の厚みを厚くすることで、グランド電位に保持される第３電極の電気抵抗を大きくすることなく、平面視したときの第３電極の面積を小さくすることができる。

本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、厚み方向に積層された２枚の圧電層と、前記２枚の圧電層間に配置され、グランド電位と異なる第１電位に保持される第１電極と、前記２枚の圧電層のうち一方の圧電層の表面に配置され、前記第１電位とグランド電位のいずれかの電位が選択的に付与される第２電極と、前記２枚の圧電層間に配置され、前記第１電極と重ならない領域において、前記一方の圧電層を挟んで、前記第２電極の一部と対向し、グランド電位に保持される第３電極と、を有する圧電アクチュエータの製造方法であって、前記２枚の圧電層を、その間に前記第１電極及び前記第１電極よりも厚さの厚い前記第３電極を挟んで積層し、押圧しながら焼成することで、前記２枚の圧電層のうち他方の前記圧電層の厚み方向に関して前記第１電極と重なる部分に表面側から凹んだ凹部を形成する積層工程と、前記他方の圧電層の凹部が形成された表面全域に、前記圧電層よりも誘電率の低い接着剤を塗布し、金属膜と接着する接着工程と、を備えている。

本発明の圧電アクチュエータの製造方法によると、グランド電位と異なる第１電位が付与される第１電極と金属膜との間の圧電層には、積層工程において、凹部が形成され、接着工程において、この凹部に圧電層よりも誘電率の低い接着剤が充填される。これにより、第１電位の第１電極と金属膜との間の圧電層にかかる電圧を低くすることができ、この圧電層に生じる収縮を緩和して、第１電極と第２電極とに挟まれた圧電層の活性部に生じる圧縮力を緩和することで、活性部の見かけ上の圧電特性が低下するのを抑制することができる。

第１電位が付与された第１電極と金属膜との間において、圧電層に形成された凹部に、圧電層よりも誘電率の低い充填剤を配置することで、第１電極と金属膜の間の圧電層にかかる電圧を低くして、この圧電層に生じる収縮を緩和することができ、第１電極と第２電極とに挟まれた圧電層の活性部に生じる圧縮力を緩和して、活性部の見かけ上の圧電特性が低下するのを抑制することができる。

本実施形態に係るプリンタの概略構成図である。 インクジェットヘッドの平面図である。 インクジェットヘッドの各圧電層表面の部分拡大図であり、（ａ）は上部圧電層表面の部分拡大図であり、（ｂ）は下部圧電層表面の部分拡大図である。 インクジェットヘッドの各断面図であり、（ａ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 圧電アクチュエータの製造過程を示す工程図であり、（ａ）は積層工程であり、（ｂ）は接着工程である。 変形例１におけるインクジェットヘッドの断面図である。 変形例２及び変形例３におけるインクジェットヘッドの断面図である。 変形例４及び変形例５におけるインクジェットヘッドの断面図である。 変形例６におけるインクジェットヘッドの断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係るプリンタの概略構成図である。図１に示すように、プリンタ１は、キャリッジ２、インクジェットヘッド３、搬送ローラ４などを備えている。

キャリッジ２は、走査方向（図１の左右方向）に往復移動する。インクジェットヘッド３は、キャリッジ２の下面に取り付けられており、その下面に形成されたノズル１５（図４（ａ）参照）からインクを噴射する。搬送ローラ４は、記録用紙Ｐを紙送り方向（図１の手前方向）に搬送する。そして、プリンタ１においては、搬送ローラ４によって紙送り方向に搬送される記録用紙Ｐに、キャリッジ２とともに走査方向に往復移動するインクジェットヘッド３のノズル１５からインクが噴射されることにより、記録用紙Ｐに印刷が行われる。また、印刷が完了した記録用紙Ｐは、搬送ローラ４によって紙送り方向に排出される。

次に、インクジェットヘッド３について詳細に説明する。図２は、インクジェットヘッドの平面図である。図３は、インクジェットヘッドの各圧電層表面の部分拡大図であり、（ａ）は上部圧電層表面の部分拡大図であり、（ｂ）は下部圧電層表面の部分拡大図である。なお、図３（ａ）、（ｂ）において、ハッチングされた領域は電極が形成されている領域を示している。図４は、インクジェットヘッドの各断面図であり、（ａ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図２〜図４に示すように、インクジェットヘッド３は、ノズル１５や圧力室１０を含むインク流路が形成された流路ユニット３１と、この流路ユニット３１の上面に配置された圧電アクチュエータ３２とを有している。

まず、流路ユニット３１について説明する。図２に示すように、流路ユニット３１の上面には、インクジェットヘッド３で使用される４色のインク（ブラック、イエロー、シアン、マゼンタ）がそれぞれ供給される４つのインク供給口９が設けられている。そして、流路ユニット３１内には、インク供給口９に接続されたインク流路が形成されている。

また、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、流路ユニット３１は、互いに積層された４枚のプレート１１〜１４で構成されており、この流路ユニット３１には、インク供給口９に接続されたマニホールド１６と、マニホールド１６に連通した複数の圧力室１０と、複数の圧力室１０にそれぞれ連通する複数のノズル１５が形成されている。

マニホールド１６は、インク供給口９から紙送り方向（図４（ａ）の紙面垂直方向）に延在している。図３（ａ）に示すように、複数の圧力室１０は、それぞれ、走査方向を長手方向とする略楕円形の平面形状を有する。また、図２に示すように、複数の圧力室１０が紙送り方向に延在するマニホールド１６に沿って配列されることで、１つの圧力室列８が構成されている。さらに、走査方向に関して隣接する２つの圧力室列８によって１つの圧力室群７が構成され、流路ユニット３１には、走査方向に並んだ合計５つの圧力室群７が設けられている。なお、５つの圧力室群７のうち、図２中右側に位置する２つの圧力室群７は、インク供給口９からブラックインクが供給される、ブラック用の圧力室群７である。また、図２中左側に位置する３つの圧力室群７は、３つのインク供給口９からそれぞれ３色のカラーインク（イエロー、マゼンタ、シアン）が供給される、カラー用の圧力室群７である。

複数の圧力室１０にそれぞれ連通する複数のノズル１５は、流路ユニット３１の下面（最下層に位置するプレート１４の下面）に開口している。また、図示は省略するが、これら複数のノズル１５も、複数の圧力室１０と同様に配列されており、図２中右側には、２つの圧力室群７にそれぞれ対応した、ブラックインクを噴射する２つのノズル群が配置され、図２中左側には、３つの圧力室群７にそれぞれ対応した、３色のカラーインク用を噴射する３つのノズル群が配置されている。

そして、図４（ａ）に示すように、流路ユニット３１内には、インク供給口９に接続されたマニホールド１６から分岐して、圧力室１０を経てノズル１５に至る、複数の個別インク流路１７が形成されている。

次に、圧電アクチュエータ３２について説明する。圧電アクチュエータ３２は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、上部圧電層４０と、下部圧電層４１と、複数の個別電極４３と、第１共通電極４４と、第２共通電極４５と、接着剤４２と、金属膜４６とを有している。

上部圧電層４０及び下部圧電層４１は、それぞれ、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする強誘電性の圧電材料によって形成されており、互いに積層された状態で、複数の圧力室１０を覆うように流路ユニット３１の上面に配置されている。上部圧電層４０及び下部圧電層４１の厚みは、それぞれ２０μｍ程度となっている。また、下部圧電層４１の複数の圧力室１０の短手方向（図４（ｂ）における左右方向）に関する中央部とそれぞれ対向する部分には、上部圧電層４０とは反対の表面側から１μｍ程度凹んだ凹部４１ａが形成されている。

複数の個別電極４３は、上部圧電層４０の上面における、複数の圧力室１０とそれぞれ対向する領域に設けられ、上部圧電層４０の上面において平面的に配置されている。図３（ａ）に示すように、各個別電極４３は、圧力室１０とほぼ同じ平面形状を有し、上部圧電層４０の上面の、１つの圧力室１０と対向する領域全体に設けられている。また、各個別電極４３からは、圧力室１０と対向しない領域へ、個別電極４３を図示しないドライバＩＣを実装するフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）と接続するための接点部４３ａが引き出されている。そして、個別電極４３には、ドライバＩＣから所定の駆動電位（例えば、２０Ｖ）とグランド電位のいずれかの電位が選択的に付与される。

第１共通電極４４は、上部圧電層４０と下部圧電層４１との間に配置されている。この第１共通電極４４は、複数の圧力室１０の短手方向（図４（ｂ）における左右方向）に関する中央部とそれぞれ対向する複数の電極部分４４ａを含んでいる。また、電極部分４４ａは、上部圧電層４０を挟んで個別電極４３と対向している。さらに、図３（ｂ）に示すように、複数の電極部分４４ａは互いに導通している。そして、第１共通電極４４は、ドライバＩＣに接続され、常に前記駆動電位に保持される。

第２共通電極４５は、上部圧電層４０と下部圧電層４１との間に、平面視で第１共通電極４４とは重ならずに配置されている。この第２共通電極４５は、複数の圧力室１０の短手方向端部とそれぞれ対向する複数の電極部分４５ａを含んでいる。また、電極部分４５ａは、上部圧電層４０及び下部圧電層４１を挟んで個別電極４３と対向している。さらに、図３（ｂ）に示すように、複数の電極部分４５ａは互いに導通している。そして、第２共通電極４５は、ドライバＩＣに接続され、常にグランド電位に保持される。

また、上部圧電層４０の、個別電極４３と第１共通電極４４の電極部分４４ａとに挟まれた圧電層部分（図４（ｂ）における圧力室１０の中央部と対向する部分：第１活性部３５という）は、あらかじめその厚み方向に分極されている。また、上部圧電層４０の、個別電極４３と第２共通電極４５の電極部分４５ａとに挟まれた圧電層部分（図４（ｂ）における圧力室１０の左右両端部と対向する部分：第２活性部３６という）も、あらかじめその厚み方向に分極されている。このように、第１活性部３５と第２活性部３６は、それぞれ上部圧電層４０に形成されており、同一平面上に配置されている。下部圧電層４１には活性部は形成されておらず、振動板として機能し、この下部圧電層４１の凹部４１ａは、平面視で少なくとも第１共通電極４４の電極部分４４ａと重なっている。また、個別電極４３と第１共通電極４４は同じ厚みとなっており、第２共通電極４５はこれらの電極４３、４４に比べて２倍の厚みとなっている。

金属膜４６は、ステンレス鋼などの金属材料からなり、厚さ１０μｍ程度となっており、複数の圧力室１０を覆うように、流路ユニット３１の上面に配置されている。金属膜４６は、圧電アクチュエータ３２の振動板として機能するとともに、圧力室１０内のインクと接触するが、金属材料からなるため、インクが浸透しにくく、下部圧電層４１に圧力室１０内のインクが接触することを防止する隔離膜としても機能する。また、金属膜４６は、グランド電位に保持されている。

接着剤４２は、下部圧電層４１よりも誘電率の低い接着剤である、例えば、エポキシ系の熱硬化性接着剤からなり、下部圧電層４１と金属膜４６を接着している。また、下部圧電層４１の凹部４１ａにも接着剤４２が充填されている。

以上説明した圧電アクチュエータ３２の、インク噴射時における動作について述べる。インクを噴射しない待機状態においては、複数の個別電極４３にはそれぞれグランド電位が付与されている。また、第１共通電極４４は常に駆動電位に保持されるとともに、第２共通電極４５は常にグランド電位に保持されている。したがって、待機状態では、個別電極４３と第１共通電極４４の間に電圧が印加されることになり、電極４３、４４の間に挟まれる上部圧電層４０の第１活性部３５に厚み方向の電界が作用する。この電界の方向は第１活性部３５の分極方向と平行であるから、この第１活性部３５は厚み方向と直交する面方向に収縮する。これにより、圧電層４０、４１の圧力室１０と対向する部分が、圧力室１０側（図４（ｂ）における下側）に凸となるように変形した状態となっている。このとき、圧力室１０は、圧電層４０が変形していない状態と比較して、その容積が小さくなっている。

この状態から、ある個別電極４３の電位がグランド電位から駆動電位に切り換えられると、この個別電極４３と第１共通電極４４の間に電圧が印加されなくなり、変形していた第１活性部３５が元に戻る。同時に、個別電極４３と第２共通電極４５との間には電圧が印加されることになるため、電極４３、４５の間に挟まれる上部圧電層４０の第２活性部３６に厚み方向の電界が作用する。この電界の方向は第２活性部３６の分極方向と平行であるから、第２活性部３６は厚み方向と直交する面方向に収縮する。これにより、圧電層４０、４１の圧力室１０の略中央部と対向する部分が上方に引っ張られることとなり、圧電層４０、４１の圧力室１０と対向する部分は全体として圧力室１０と反対側（図４（ｂ）における上側）に凸となるように変形して、圧力室１０の容積が増加する。

その後、個別電極４３の電位が再びグランド電位に戻されると、個別電極４３と第２共通電極４５の間に電圧が印加されなくなり、第２活性部３６の変形が元に戻る。同時に、第１活性部３５が再び面方向に収縮して、圧電層４０、４１の圧力室１０と対向する部分が全体として圧力室１０側に凸となる。このときに、圧力室１０の容積が大きく減少するため、圧力室１０内のインクの圧力が増加して、圧力室１０に連通するノズル１５からインクが噴射される。

また、上述したようにして圧電アクチュエータ３２を駆動させる場合、個別電極４３の電位をグランド電位から駆動電位に切り換えたときには、第１活性部３５が収縮した状態から収縮前の状態に伸長すると同時に、第２活性部３６が収縮するため、第１活性部３５の伸長が第２活性部３６の収縮に一部吸収される。一方、個別電極４３の電位を駆動電位からグランド電位に戻したときには、第１活性部３５が収縮するとともに、第２活性部３６が収縮前の状態まで伸長するため、第１活性部３５の収縮が第２活性部３６の伸長によって一部吸収される。

以上のことから、第１活性部３５と第２活性部３６の駆動するタイミングが交互になり、圧電層４０、４１の圧力室１０と対向する部分の変形が、他の圧力室１０と対向する部分に伝達して当該他の圧力室１０に連通するノズル１５からのインクの噴射特性が変動してしまう、いわゆるクロストークを抑制することができる。

また、仮に、金属膜４６を挟まずに、下部圧電層４１が流路ユニット３１の圧力室１０が形成されたプレート１１に接合されていると、第１共通電極４４は常に駆動電位に保持されているため、第１共通電極４４から漏れ出した電界が下部圧電層４１を介して圧力室１０内のインクに流れ出て、インクが帯電してしまう。インクが帯電すると、ノズル１５から噴射されたインクの直進性が損なわれてしまう。そこで、下部圧電層４１とプレート１１の間にグランド電位に保持された金属膜４６を挟むことで、第１共通電極４４に印加された電圧による電界は金属膜４６で遮断され、圧力室１０内のインクが帯電するのを防止することができる。

一方、流路ユニット３１のプレート１１と下部圧電層４１の間に金属膜４６を配置すると、第１共通電極４４と金属膜４６の間に電圧が印加されることになり、電極４４、４６の間に挟まれる下部圧電層４１の部分に電界が作用する。すると、この活性部の形成されていない下部圧電層４１の第１共通電極４４と金属膜４６に挟まれた不要な部分は、高電圧が印加されて、収縮してしまう。そして、この下部圧電層４１の収縮する部分は、平面視で第１活性部３５と重なる部分であるため、第１活性部３５に収縮力が作用することになり、第１活性部３５の変形を拘束し、第１活性部３５の見かけ上の圧電特性が低下してしまう原因となる。

そこで、本実施形態では、下部圧電層４１の、第１共通電極４４と対向する部分を含む複数の圧力室１０の短手方向（図４（ｂ）における左右方向）に関する中央部とそれぞれ対向する部分に凹部４１ａが形成され、この凹部４１ａに接着剤４２が充填されている。したがって、第１共通電極４４と金属膜４６に挟まれ、電圧が印加される部分は、下部圧電層４１の凹部４１ａが形成された部分と凹部４１ａに充填された接着剤４２となる。

そして、下部圧電層４１の誘電率εが非常に高い（比誘電率で約２０００）のに対して、エポキシ系の熱硬化性接着剤である接着剤４２の誘電率εは低い（比誘電率で約１０）。そのため、凹部４１ａが形成された下部圧電層４１と凹部４１ａに充填された接着剤４２の厚みと、下部圧電層４１と接着剤４２の誘電率との関係から、例えば、下部圧電層４１には、駆動電位とグランド電位の間の２０Ｖのうち１Ｖ程度がかかり、接着剤４２に残りの１９Ｖ程度がかかることになる。このように、平面視で第１活性部３５と重なる下部圧電層４１の部分にかかる電圧を低くすることで、下部圧電層４１の収縮を緩和でき、第１活性部３５に生じる圧縮力を緩和し、第１活性部３５の見かけ上の圧電特性が低下するのを抑制することができる。

また、第１共通電極４４と金属膜４６に挟まれた下部圧電層４１の部分にかかる電圧を低くするだけならば、下部圧電層４１に凹部４１ａを形成せずに、下部圧電層４１と金属膜４６の間の接着剤４２全体の厚みを厚くするだけでも実現可能である。しかしながら、これでは、接着剤４２の厚みが厚いことで、圧電アクチュエータ３２の駆動時における第１活性部３５及び第２活性部３６の変形までも阻害することになる。

そこで、平面視で第１共通電極４４と重なり、電圧がかかる下部圧電層４１の部分だけに凹部４１ａを形成して接着剤４２の厚みを厚くし、電圧が印加されることのない他の下部圧電層４１の部分については、接着剤４２の厚みを薄くすることで、圧電アクチュエータ３２の全域にわたって接着剤４２の厚みが厚いものに対して、圧電アクチュエータ３２の駆動時における第１活性部３５及び第２活性部３６の変形阻害を抑制することができる。

なお、本実施形態においては、第１共通電極４４が本発明における第１電極に相当し、個別電極４３が本発明における第２電極に相当し、第２共通電極４５が本発明における第３電極に相当する。

次に、圧電アクチュエータ３２の製造方法について図５を参照して説明する。図５は、圧電アクチュエータの製造過程を示す工程図であり、（ａ）は積層工程であり、（ｂ）は接着工程である。

図５（ａ）に示すように、まず、圧電セラミックスからなる２枚のグリーンシートのうち一方のグリーンシートの表面に個別電極４３を形成し、他方のグリーンシートの表面に第１共通電極４４及び第２共通電極４５を形成する。個別電極４３及び第１共通電極４４は、スクリーン印刷により１度だけ塗られて形成される。第２共通電極４５は、スクリーン印刷により２度塗りされて、個別電極４３及び第１共通電極４４に比べて、２倍の厚みにする。そして、一方のグリーンシートの表面に形成された個別電極４３が露出し、他方のグリーンシートの表面に形成された第１共通電極４４及び第２共通電極４５が２枚のグリーンシートに挟まれるように積層し、両面から押圧しながら所定の温度で焼成する（積層工程）。

すると、第２共通電極４５は、第１共通電極４４よりも厚みが厚くなっているため、積層したグリーンシートを押圧したときに、第２共通電極４５と対向する部分が、第１共通電極４４と対向する部分より強く押圧されることになる。そして、グリーンシートの第２共通電極４５と対向する部分は、第１共通電極４４と対向する部分よりも密度が高くなる。このように密度の異なる部分が存在するグリーンシートを焼成すると、グリーンシートの第１共通電極４４と対向する部分は、第２共通電極４５と対向する部分に比べて、密度が低いため、グリーンシート内に含まれるバインダが気化して、結晶構造を形成するときの収縮量が大きくなる。したがって、グリーンシートが焼成して形成された下部圧電層４１には、第２共通電極４５と対向しない部分（少なくとも第１共通電極４４と対向する部分）に電極４４、４５が形成されていない側から凹んだ凹部４１ａが形成される。

そして、図５（ｂ）に示すように、下部圧電層４１の表面にエポキシ系の熱硬化剤を塗布し、金属膜４６を押圧接着して（接着工程）、圧電アクチュエータ３２を製造する。すると、下部圧電層４１と金属膜４６が接合されるとともに、下部圧電層４１の凹部４１ａ内に接着剤４２が充填される。

こうして製造された圧電アクチュエータ３２は、上述したように、第１共通電極４４に駆動電位、金属膜４６にグランド電位が付与されて、第１共通電極４４と金属膜４６に挟まれた下部圧電層４１の部分に不要な電圧がかかっても、凹部４１ａの誘電率の低い接着剤４２に大部分の電圧を印加させて、平面視で第１活性部３５と重なる下部圧電層４１の部分に印加される電圧を低くすることで、下部圧電層４１の収縮を緩和でき、第１活性部３５に生じる圧縮力を緩和し、第１活性部３５の見かけ上の圧電特性が低下するのを抑制することができる。

また、第１共通電極４４は、複数の電極部分４４ａが互いに導通していることもあり、総面積が比較的広い。このとき、第１共通電極４４と金属膜４６に挟まれた下部圧電層４１の部分に２０Ｖもの高電圧がかかっていると、下部圧電層４１にマイグレーションが起きやすい。一方、本実施形態においては、凹部４１ａに接着剤４２が充填されていることで、第１共通電極４４と金属膜４６に挟まれた下部圧電層４１の部分にかかる電圧が１Ｖ程度と非常に小さい値となり、マイグレーションを起きにくくすることができる。

さらに、下部圧電層４１の第１共通電極４４と対向する部分に凹部４１ａを形成するために、第１共通電極４４に比べて、第２共通電極４５の厚みを厚くしている。第２共通電極４５は、複数の電極部分４５ａが導通した共通の電極であるため、電気抵抗をできるだけ小さくしたい。そこで、厚みを厚くして、電気抵抗を小さくすることで、平面視での第２共通電極４５の面積を小さくすることができる。そして、第２共通電極４５の面積を小さくすることで、他の電極（例えば、第１共通電極４４）のパターンの引き回しが容易になったり、圧電アクチュエータ３２自体を小型化することが可能となる。

また、上述したように、第１共通電極４４と金属膜４６に挟まれた下部圧電層４１の部分にかかる電圧を低くするだけならば、下部圧電層４１に凹部４１ａを形成せずに、下部圧電層４１と金属膜４６の間の接着剤４２全体の厚みを厚くするだけでも実現可能である。しかしながら、これでは、接着工程において、下部圧電層４１と金属膜４６を接着するときに、面方向に関して接着剤４２の厚みばらつきが大きくなり、活性部ごとの変形量にばらつきが生じてしまう。そこで、第２共通電極４５の厚みを第１共通電極４４よりも厚くして、これらの電極４４、４５を挟んだ２枚のグリーンシートを押圧して焼成することで、下部圧電層４１の第１共通電極４４と対向する部分だけに凹部４１ａを形成しているため、凹部４１ａの接着剤４２の厚みを容易に厚くすることができ、これにより、残りの部分に関しては、接着剤４２の厚みを薄くすることができ、活性部ごとの変位量のばらつきを抑制することができる。

次に、本実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。ただし、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

本発明は、以下のような構成の圧電アクチュエータにも適用可能である。２つの圧電層の間にグランド電位とは異なる電位が付与された内部電極が配置されており、この内部電極が、グランド電位が付与された電極を挟まずに、圧電層を介して金属膜と対向している場合には、この内部電極と重なり、金属膜と隣接する圧電層の部分に凹部を形成して、圧電層よりも誘電率の低い接着剤を充填することで、本発明の効果を奏する。以下、一例として図６〜９を参照して説明する。

１）図６に示すように、本実施形態とは、個別電極４３と第１共通電極４４及び第２共通電極４５の配置が逆となっており、上部圧電層４０と下部圧電層４１の間に複数の個別電極４３が配置され、上部圧電層４０の上面に第１共通電極４４と第２共通電極４５が配置されていてもよい（変形例１）。この場合、上部圧電層４０の、個別電極４３と第１共通電極４４とに挟まれた圧電層部分が第１活性部３５であり、個別電極４３と第２共通電極４５とに挟まれた圧電層部分が第２活性部３６である。そして、下部圧電層４１の複数の個別電極４３が内部電極となり、複数の個別電極４３と重なる部分に凹部４１ａが形成され、接着剤４２が充填されている。このとき、上述した実施形態のように、２つの電極４４、４５の厚みの差を利用して凹部４１ａを形成することは困難であるため、サンドブラストで下部圧電層４１の表面に圧縮空気と混ざった研磨剤を吹き付けて、下部圧電層４１を削り取ることで除去して凹部４１ａを形成する。なお、この変形例においては、個別電極４３が本発明における第１電極に相当し、第１共通電極４４が本発明における第２電極に相当し、第２共通電極４５が本発明における第３電極に相当する。

２）図７（ａ）に示すように、３枚の圧電層１４０〜１４２が積層され、上部の圧電層１４０の上面に複数の個別電極４３が配置され、上部の圧電層１４０と中間の圧電層１４１の間に第１共通電極４４が配置され、中間の圧電層１４１と下部の圧電層１４２の間に第２共通電極４５が配置されていてもよい（変形例２）。この場合、上部の圧電層１４０の、個別電極４３と第１共通電極４４とに挟まれた圧電層部分が第１活性部３５であり、上部の圧電層１４０及び中間の圧電層１４１の、個別電極４３と第２共通電極４５とに挟まれた圧電層部分が第２活性部３６である。また、図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）に示す圧電アクチュエータとは、第１共通電極４４と第２共通電極４５の配置が逆となっていてもよい（変形例３）。この場合、上部の圧電層１４０及び中間の圧電層１４１の、個別電極４３と第１共通電極４４とに挟まれた圧電層部分が第１活性部３５であり、上部の圧電層１４０の、個別電極４３と第２共通電極４５とに挟まれた圧電層部分が第２活性部３６である。これらの変形例は、本実施形態で同一平面に配置されていた第１共通電極４４と第２共通電極４５が、複数の個別電極４３よりも金属膜４６側において積層方向に関して異なる位置に配置されているものである。そして、本実施形態と同様に、第１共通電極４４が内部電極となり、下部の圧電層１４２の第１共通電極４４と重なる部分に凹部１４２ａが形成されて、接着剤４２が充填されている。なお、これらの変形例においては、第１共通電極４４が本発明における第１電極に相当し、個別電極４３が本発明における第２電極に相当し、第２共通電極４５が本発明における第３電極に相当する。

３）図８（ａ）に示すように、３枚の圧電層１４０〜１４２が積層され、上部の圧電層１４０の上面に第１共通電極４４が配置され、上部の圧電層１４０と中間の圧電層１４１の間に複数の個別電極４３が配置され、中間の圧電層１４１と下部の圧電層１４２の間に第２共通電極４５が配置されていてもよい（変形例４）。この場合、上部の圧電層１４０の、個別電極４３と第１共通電極４４とに挟まれた圧電層部分が第１活性部３５であり、中間の圧電層１４１の、個別電極４３と第２共通電極４５とに挟まれた圧電層部分が第２活性部３６である。また、図８（ｂ）に示すように、図８（ａ）に示す圧電アクチュエータとは、複数の個別電極４３と第２共通電極４５の配置が逆になっていてもよい（変形例５）。この場合、上部の圧電層１４０及び中間の圧電層１４１の、個別電極４３と第１共通電極４４とに挟まれた圧電層部分が第１活性部３５であり、中間の圧電層１４１の、個別電極４３と第２共通電極４５とに挟まれた圧電層部分が第２活性部３６である。そして、これらの変形例においては、複数の個別電極４３が内部電極となり、下部の圧電層１４２の他の電極を挟まずに第１共通電極４４と重なる部分に凹部１４２ａが形成されて、接着剤４２が充填されている。なお、これらの変形例においては、個別電極４３が本発明における第１電極に相当し、第１共通電極４４が本発明における第２電極に相当し、第２共通電極４５が本発明における第３電極に相当する。

４）図９に示すように、上部圧電層４０の上面にグランド電位が付与された共通電極１４４が配置され、上部圧電層４０と下部圧電層４１の間に共通電極１４４と対向するように個別電極１４３が配置されていてもよい（変形例６）。この場合、上部圧電層４０、個別電極１４３と共通電極１４４とに挟まれた圧電層部分が活性部１３５である。この変形例は、本実施形態とは異なり、グランド電位が付与された共通電極のみで、駆動電位が付与された共通電極が存在していない。そして、個別電極１４３が内部電極となり、下部圧電層４１の個別電極１４３と重なる部分に凹部４１ａを形成して、接着剤４２が充填されている。なお、この変形例においては、個別電極１４３が本発明における第１電極に相当し、共通電極１４４が本発明における第２電極に相当する。

また、本実施形態においては、金属膜４６には、グランド電位が付与されていたが、電位を付与せずに浮いた状態であってもよい。この場合においても、金属膜４６は、流路ユニット３１などの駆動対象と接続されるものであり、このような駆動対象は接地されているのが一般的である。したがって、接地された駆動対象に接続された金属膜４６も接地されて、グランド電位と同電位程度の非常に低い電位となる。

さらに、本実施形態においては、下部圧電層４１と金属膜４６を接着接合するときに用いる接着剤を下部圧電層４１よりも誘電率の低い充填剤として、凹部４１ａに充填していたが、この接着剤とは別に、凹部４１ａに下部圧電層４１よりも誘電率の低い材料を充填してもよい。この材料としては、例えば、粉末のアルミナ（比誘電率ε＝約１０）にバインダーを混ぜて焼成して、凹部４１ａに充填してもよい。

また、圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータ及びその製造方法には限られず、所定の動部を駆動させるための圧電アクチュエータ及びその製造方法に本発明を適用することも可能である。

１ プリンタ
３ インクジェットヘッド
３２ 圧電アクチュエータ
３５ 第１活性部
３６ 第２活性部
４０ 上部圧電層
４１ 下部圧電層
４１ａ 凹部
４２ 接着剤
４３ 個別電極
４４ 第１共通電極
４５ 第２共通電極
４６ 金属膜

Claims (5)

1. 厚み方向に積層された複数の圧電層と、
   前記複数の圧電層のうちいずれか２枚の圧電層間に配置され、グランド電位と異なる第１電位が付与される第１電極と、
   前記複数の圧電層の積層方向における前記第１電極よりも一方側に配置され、前記第１電位と異なる第２電位が付与される第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極の間に挟まれた前記圧電層に形成され、分極処理された活性部と、
   前記複数の圧電層の前記積層方向における前記第１電極よりも他方側の表面に配置された金属膜と、を備えており、
   前記第１電極に対して前記活性部と反対側にあり、前記金属膜と接触する圧電層には、前記積層方向に関して前記第１電極と重なる部分に、前記金属膜が配置される表面側から凹んだ凹部が形成されており、
   前記第１電極と前記金属膜に挟まれた前記凹部には、前記圧電層よりも誘電率の低い充填剤が充填されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記充填剤は、前記圧電層と前記金属膜を接着する接着剤であ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. 前記第２電位はグランド電位であり、
   前記第１電極は、前記積層方向に関して前記第２電極の一部と対向し、前記第１電位に保持されており、
   平面視で前記第１電極と重ならない領域において、前記複数の圧電層の前記積層方向における前記第２電極と異なる位置に配置され、前記積層方向に関して前記第２電極の一部と対向し、グランド電位に保持される第３電極をさらに備えており、
   前記第２電極は、グランド電位と前記第１電位のいずれかの電位が選択的に付与されることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記第３電極の厚みは、前記第１電極よりも厚い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. 厚み方向に積層された２枚の圧電層と、前記２枚の圧電層間に配置され、グランド電位と異なる第１電位に保持される第１電極と、前記２枚の圧電層のうち一方の圧電層の表面に配置され、前記第１電位とグランド電位のいずれかの電位が選択的に付与される第２電極と、前記２枚の圧電層間に配置され、前記第１電極と重ならない領域において、前記一方の圧電層を挟んで、前記第２電極の一部と対向し、グランド電位に保持される第３電極と、を有する圧電アクチュエータの製造方法であって、
   前記２枚の圧電層を、その間に前記第１電極及び前記第１電極よりも厚さの厚い前記第３電極を挟んで積層し、押圧しながら焼成することで、前記２枚の圧電層のうち他方の前記圧電層の厚み方向に関して前記第１電極と重なる部分に表面側から凹んだ凹部を形成する積層工程と、
   前記他方の圧電層の凹部が形成された表面全域に、前記圧電層よりも誘電率の低い接着剤を塗布し、金属膜と接着する接着工程と、を備えていることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
   

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