JP3716724B2 - 圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタに用いられるインクジェットプリンタヘッドにおいて、キャビティのインク室に隣接して設けられた圧電素子を用いて、この圧電素子に電圧を印加することでインク室の容積を小さくしてインクをオリフィスから噴射させて印刷をする圧電式インクジェットプリンタヘッドが知られている。
ここで図１１は、従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドを示す図である。例えば、本願出願人が、特開平４−３４１８５１号公報において提案した圧電式インクジェットプリンタヘッドでは、図１１に示すように、圧電セラミックス層４０と内部負電極層４２、内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃとを交互に積層して圧電アクチュエータを形成し、且つ内部正電極層４４ａ〜４４ｃを複数の噴射装置９０ａ，９０ｂ，９０ｃに対応するように分割し、圧電アクチュエータを複数の噴射装置９０ａ，９０ｂ，９０ｃに跨って設けてあるものである。このような構成の圧電式インクジェットプリンタヘッドでは、部品点数が少ない上に、簡単な構造であり、高解像度化も電極パターンの変更により簡単であり、また積層圧電アクチュエータであることで駆動電圧が低減され、さらに変形拘束部材８０を別途接着することによりインク室とは反対方向への積層圧電アクチュエータの変形を拘束したので、アクチュエータの変形が有効にインク室側へ向けられ低電圧でも駆動できるものである。また、積層圧電アクチュエータの変則的な変形から、隣のインク室を変形させることから生じるクロストークを低減させ、Ｓ／Ｎ比を向上させることもできた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この圧電式インクジェットプリンタヘッドでは、シート状の圧電セラミックス層４０と内部電極層４２，４４ａ〜４２ｃとを交互に積層してプレスして焼成し、焼成後、別途接着剤等を用いて変形拘束部材８０を接着して製造していた。そのため、工程が複雑になって工数が増加し、製造コストが上昇するという問題があった。
【０００４】
この発明は上記課題を解決するものであり、クロストークが少なく、且つインク室とは反対方向への積層圧電素子の変形を拘束することが可能で、さらに組立てが簡略で製造コストを低く抑えることができる圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、インクを噴射する複数の噴射ノズルを備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドのインク室に面するように配置され、表面に電極パターンが形成された圧電材料からなるシート状の部材が１又は複数枚積層され、伸縮作用により前記インク室内の容積を変化させることが可能な活性層と、当該活性層の前記インク室と対向する面とは反対の面に配置され、前記活性層と一体に形成可能な材料からなるシート状の部材が１又は複数枚積層され、前記活性層の駆動変形を規制する拘束層とを備え、前記拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、前記活性層と前記拘束層とは一体に焼成されて形成され、前記ダミー電極が前記活性層の電極に電気的に接続されたことを特徴とする。
【０００６】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、活性層の駆動変形を、活性層のインク室とは反対側に一体に形成され活性層を規制する拘束層とを備え、活性層の変形を効率的にインク室の容積変化に用いることができるのでインクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インク室の容積変化を抑えクロストークを防止することができる。さらに、拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、活性層と拘束層とは一体に焼成されて形成され、ダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されるので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減って製造工程が簡略化され、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができる。また、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。そのため、キャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できる。さらに、拘束層に形成されたダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されているため、誘電体であるセラミックス等を介して活性層に設けられた電極とこれに対面するように設けられた拘束層のダミー電極との間において、電位差を生じさせることがない。従って、電位差の発生に伴う無駄な電力を消費することもない。
【０００７】
請求項２に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成に加え、前記拘束層は、前記活性層と同じ材料から構成されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、拘束層が活性層と同じ材料から構成されているので、活性層を構成する部材をそのまま拘束層を構成する部材に流用でき、製造を簡略化し製造コストを低減することができる。さらに、同一の材料であれば一体に焼成した場合の馴染みがよく、且つ歪み等が生じにくく、高い精度を実現できる。
【０００９】
請求項３に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成に加え、前記電極及び前記ダミー電極は、前記活性層及び前記拘束層全体において、厚み方向に略対称に構成されたことを特徴とする。
【００１０】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、電極及びダミー電極が、活性層と拘束層とにおいて、積層される厚み方向に略対称に構成されているため、活性層及び拘束層全体を一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が略同一になり、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止してさらに高い平面性を維持することができる。そのためキャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できる。
【００１１】
請求項４に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成に加え、前記拘束層は、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層と当該ダミー電極が形成されていない層とから構成されたことを特徴とする。
【００１２】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの作用に加え、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層と当該ダミー電極が形成されていない層とが形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差がバランス良く均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。
【００１３】
請求項５に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項４に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成に加え、前記拘束層は、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層の上に当該ダミー電極が形成されていない層が積層されて構成されたことを特徴とする。
【００１４】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項４に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの作用に加え、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層の上に当該ダミー電極が形成されていない層が積層されて構成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する際に、活性層上の電極パターンが拡散してしまうのをダミー電極によって抑えることができるとともに、収縮率の差がバランス良く均一化され反りを防止して高い平面性を維持することができる。
【００１５】
請求項６に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成に加え、前記拘束層は、前記ダミー電極が形成された層と前記ダミー電極が形成されていない層とから構成され、前記ダミー電極が形成されていない層は、前記ダミー電極が形成された層と前記活性層との間に挟まれて積層されたことを特徴とする。
【００１６】
請求項７に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの製造方法では、インクを噴射する複数の噴射ノズルを備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドのインク室に面するように配置され、表面に電極パターンが形成されたシート状の焼成可能な圧電材料が１又は複数枚積層され、伸縮作用により前記インク室内の容積を変化させることが可能な活性層と、当該活性層の前記インク室と対向する面とは反対の面に配置され、前記活性層と一体に焼成可能なシート状の圧電材料が１又は複数枚積層され、前記活性層の駆動変形を規制する拘束層とを備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの製造方法において、前記拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、前記活性層と前記拘束層とを焼成して一体に形成し、前記ダミー電極が前記活性層の電極に電気的に接続されることを特徴とする。
【００１７】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの製造方法では、インク室とは反対側に活性層を規制する拘束層とを焼成により形成するので、活性層の変形を効率的にインク室の容積変化に用いることができ、インクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インク室の容積変化を抑えクロストークを防止することができる。特に、前記拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、活性層と拘束層とを一体に焼成して形成し、前記ダミー電極が前記活性層の電極に電気的に接続されるので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減るため製造工程を簡略化でき、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができる。また、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。そのため、キャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できる。さらに、拘束層に形成されたダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されているため、誘電体であるセラミックス等を介して活性層に設けられた電極とこれに対面するように設けられた拘束層のダミー電極との間において、電位差を生じさせることがない。従って、電位差の発生に伴う無駄な電力を消費することもない。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータを、図１〜図６を参照して詳細に説明する。なお、説明の都合上、従来例と同一部位あるいは均等部位には同一符号を付け、その説明を省略する。
【００２２】
図６は、インクジェットプリンタ１の要部を示す図である。プラテン１０は、用紙１１の搬送方向と直交して水平に設けられる。このプラテン１０は、軸１２を備えフレーム１３に回転可能に軸支されており、モータ１４により、駆動ギヤ列を介して駆動される。プラテン１０に対向した位置には、圧電式インクジェットプリンタヘッド１５が設けられている。
【００２３】
この圧電式インクジェットプリンタヘッド１５は、インク供給装置１６とともにキャリッジ１８上に配置されている。キャリッジ１８は、プラテン１０の軸１２の軸線に平行に配設された２本のガイドロッド２０ａ，２０ｂ（以下まとめてガイドロッド２０という）に摺動可能に支持されると共に、一対の従動プーリ２１、駆動プーリ２２に巻き掛けられたタイミングベルト２４に結合されている。そして、駆動プーリ２２がモータ２３によって駆動され、タイミングベルト２４が所定方向に送られる。そのため、キャリッジ１８は、ガイドロッド２０に案内されながら、タイミングベルト２４に駆動され、プラテン１０に圧電式インクジェットプリンタヘッド１５を対面させた状態でプラテン１０に沿って移動される。
【００２４】
図１は、圧電式インクジェットプリンタヘッド１５の要部断面図である。このヘッド１５は、キャビティ３０と、活性層３８及び拘束層７０からなる圧電アクチュエータ３とから構成される。キャビティ３０には、インク室として機能する上方が開放された空間であるインクチャンネル３２ａ，３２ｂ，３２ｃ（以下特に区別しない場合はインクチャンネル３２という。）が設けられ、その底面にはインクを噴射するオリフィス３７ａ，３７ｂ，３７ｃ（以下特に区別しない場合はオリフィス３７という。）をそれぞれ備える。
【００２５】
このキャビティ３０の上方に設けられた活性層３８は、表面に電極パターンが形成された圧電セラミックス層４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ（以下特に区別しない場合は圧電セラミックス層４０という。）が積層されて形成され、活性層３８の電歪効果によりインクチャンネル３２の容積を変化させて、インクチャンネル３２に貯留されたインクをオリフィス３７から噴射させる。そして活性層３８のさらに上方に活性層３８と一体に形成された拘束層７０は、セラミックス層７１ａ，７１ｂ，７１ｃ（以下特に区別しない場合はセラミックス層７１という。）が積層されて形成され、活性層３８の上側への駆動変形を規制するとともに、アクチュエータ３全体の剛性を高めてクロストークを防止する。
【００２６】
図４は、活性層３８及び拘束層７０の構造を示す分解斜視図である。また、図５は、ヘッド１５の構造を示す分解斜視図である。以下、各構成を詳細に説明する。
【００２７】
キャビティ３０は、図５に示すように全体が直方体に形成されたチャンネル本体３４内部に、内部の幅がおよそ２５０μｍで、高さ６０μｍである３つのインク室であるインクチャンネル３２ａ，３２ｂ，３２ｃが平行に配列される。従って、チャンネル本体３４の水平断面は、「目」の字形に構成される。チャンネル本体３４の底部には、インクを噴射するための各インクチャンネル３２ａ〜３２ｃに対応したノズル孔であるオリフィス３７を有するオリフィスプレート３６が蓋状に配置される。そして、チャンネル本体３４とオリフィスプレート３６は、鉄系の材料で構成され、接着により一体化される。なお、セラミックス等により焼成して一体成型したり、あるいはアルミナ系の材料等を用いインジェクションにより一体に形成してもよい。また、各インクチャンネル３２ａ〜３２ｃは、インク供給装置１６（図６参照）から連通された図示しない供給路によりインクの供給を受け、常時インクが充填される。
【００２８】
そして、インクチャンネル３２に貯留されたインクは所定の負圧がかかるように設定され、そのためインクはオリフィス３７において表面張力により外部に向かって凹のメニスカスを形成する。従って、通常はオリフィス３７からインクが漏出しないが、内圧が高まった場合のみ、インクがオリフィス３７より噴射される。なお、インクチャンネル３２の内圧が高まった場合にインク供給装置１６のインクが逆流しないように図示しない逆止弁が供給路に設けられている。また、本実施の形態のように、インクチャンネル３２内にオリフィス３７が設けられるもの以外にも、インクチャンネル３２からさらにインクの導出路を設けてオリフィス３７を配置し、噴射方向等を調節したり、インクチャンネル３２の底部以外にオリフィス３７を配置するようにしてもよい。
【００２９】
活性層３８は、図４に示すように、内部負電極層４２又は内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃ（以下特に区別しない場合は内部正電極層４４という。）を備えた複数の圧電セラミックス層４０ａ〜４０ｆから構成される。
【００３０】
圧電セラミックス層４０は、電歪効果を有する圧電セラミックスの薄板状シートから構成される。圧電セラミックス層４０ａ，４０ｃ，４０ｅの上面には、圧電セラミックス層４０の周縁端部を除いて全体を覆う内部負電極層４２と、この電極を外部と電気的に接続するための電極取り出し部４３が後述するように形成される。同様に、圧電セラミックス層４０ｂ，４０ｄ，４０ｆの上面には、図５に示すインクチャンネル３２ａ〜３２ｃに対して１対１で対応するように平行に配列され且つ図１における幅方向がおよそ１２０μｍである３本の帯状の内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃと、この電極をそれぞれ外部と電気的に接続するための電極取り出し部４５ａ，４５ｂ，４５ｃが形成される。内部負電極層４２と内部正電極層４４ａ〜４４ｃは、Ａｇ−Ｐｄ系の金属材料からなり、厚さが約２μｍである。そしてこれらの２種類の電極パターンが印刷された圧電セラミックス層４０が交互に複数枚積層される。
【００３１】
従って、このように積層された各圧電セラミックス層４０は、図１に示すように内部負電極層４２と内部正電極層４４ａ〜４４ｃとに挟まれて位置する。また、内部正電極層４４ａ〜４４ｃは帯状に形成されているため、各圧電セラミックス層４０内において、図１上部にその範囲を示すように、内部負電極層４２と内部正電極層４４ａ〜４４ｃとに挟まれ、その幅が約１２０μｍである圧電活性部４６ａ，４６ｂ，４６ｃと、内部負電極層４２、内部正電極層４４ａ〜４４ｃに挟まれていない圧電不活性部４８が形成される。つまり、圧電セラミックス層４０の中で正極及び負極間に電圧を印加された場合に電界が生じ電歪効果により垂直方向に変形する部分と、電圧を印加しても電界が生じない変形しない部分ができることになる。そして、活性層３８は、圧電活性部４６ａ〜４６ｃが、キャビティ３０のインクチャンネル３２ａ，３２ｂ，３２ｃに対応する位置になるようにチャンネル本体３４が固着されている。
【００３２】
拘束層７０は、セラミックス層７１ａ，７１ｂ，７１ｃから構成される。セラミックス層７１は、活性層３８の圧電セラミックス層４０と同一の構成、材料、大きさである。さらに、拘束層７０のセラミックス層７１ａ，７１ｃは、活性層３８の圧電セラミックス層４０ｂ，４０ｄ，４０ｆの内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃ及び電極取り出し部４５ａ，４５ｂ，４５ｃと同一構成のダミー正電極７３ａ，７３ｂ，７３ｃ及び図２に示す電極取り出し部７５ａ，７５ｂ，７５ｃを備える。また、拘束層７０のセラミックス層７１ｂは、活性層３８の圧電セラミックス層４０ａ，４０ｃ，４０ｅの内部負電極層４２及び電極取り出し部４３と同一構成のダミー負電極７２及び図２に示す電極取り出し部７４を備える。ここで、上記のように電極等が印刷された圧電セラミックス層４０，セラミックス層７１となるグリーンシート５０，５１は共通部品として共用することもできる。但し、アクチュエータ３を形成した後には、その配置された位置と、後述するような電気的な配線が異なり、その機能が異なるため、その名称が異なるものである。
【００３３】
活性層３８及び拘束層７０は、以下の製造方法によって製造される。まず、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ３・ＰｂＺｒＯ３））系のセラミックス粉末、バインダ、溶剤を混合して粘度１０，０００〜３０，０００ＣＰＳに調整した混合液を調製し、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等のプラスチックフィルム上に広げて乾燥させ９枚のグリーンシートを形成する。このグリーンシートの厚さはおよそ２２．５〜２８μｍである。さらに、この内の５枚のグリーンシート５０は、シート上の内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃ及び電極取り出し部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ又はダミー正電極７３ａ，７３ｂ，７３ｃ及び電極取り出し部７５ａ，７５ｂ，７５ｃとなる部分に金属材料をスクリーン印刷する。同様に、残り４枚のグリーンシート５１上には内部負電極層４２及び電極取り出し部４３又はダミー負電極７２及び電極取り出し部７４となる部分に金属材料を印刷する。
【００３４】
そして、この２種類のグリーンシート５０，５１のうちグリーンシート５０を一番下に、交互に９枚積層する。このようにグリーンシート５０，５１を積層すると、グリーンシート５０が上下の端になるように配置される。結局、活性層と拘束層として、名称は異なるが全く同じ構成のグリーンシート５０を５枚と、グリーンシート５１を４枚の合計９枚を交互に積層することになる。そして、まだこの段階では、活性層３８と拘束層７０の区別はない。
【００３５】
次にこのように構成された９枚のグリーンシート５０，５１を重ねて、全体を加熱プレスし、脱脂した後に、焼結して、活性層３８及び拘束層７０が一体となった圧電セラミックスのブロックを得る。
【００３６】
このグリーンシート５０，５１を積層したブロックを焼成する場合について説明する。アクチュエータ３は、既述のように活性層３８と拘束層７０とから構成されるが、活性層３８には電極が必須の構成である。一方、拘束層７０には、機能的には電極を設ける必要がない。しかしながら、このグリーンシート５０，５１を積層したブロックを焼成する場合、圧電セラミックスと電極を構成する金属材料では焼成した場合の収縮率が異なる。僅かでも収縮率が異なると、焼成後に活性層３８が反ったり、あるいは波打ったりしてその平面性が損なわれる。活性層３８の平面性が損なわれると、キャビティ３０に密着して接着する場合に、密着度が下がり、インクチャンネル３２からのインクの漏出を生じたりして不良製品を生じたり、あるいは活性層３８の再研磨が必要になり工数が増加し生産コストが上昇したり、充填剤により充填をすることで強度が低下する等の問題が生じる。
【００３７】
そこで、アクチュエータ３においては、上述のように、拘束層７０を活性層３８と同じ圧電セラミックス材料から構成することで、活性層３８と拘束層７０のセラミックスの焼成時の収縮率を同一にしている。その上で、拘束層７０は、活性層３８の圧電セラミックス層４０に設けられた内部負電極層４２、電極取り出し部４３、内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃ、電極取り出し部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ（以下電極と略す。）と同じものを、圧電セラミックス層７０の駆動変形に寄与しないダミー負電極７２、電極取り出し部７４、ダミー正電極７３ａ，７３ｂ，７３ｃ、電極取り出し部７５ａ，７５ｂ，７５ｃ（以下ダミー電極と略す。）が形成されている。このため、活性層３８も拘束層７０も全く同じ構成であるので、焼成時の収縮率を同一のものとすることができる。さらに、活性層３８と拘束層７０を合わせた全体において、電極及びダミー電極の配列を、厚み方向（積層方向）に対称に構成することで全体の収縮率を対称にし、焼成時の反りを生じないように構成している。
【００３８】
ここで、図２は、アクチュエータ３の電気的な接続を示す模式図である。以下アクチュエータ３の電気的な接続について説明する。図２に示すように、アクチュエータ３には、圧電セラミックス層４０ａ，４０ｃ，４０ｅの電極取り出し部４３と、セラミックス層７１ｂの電極取り出し部７４とを電気的に接続するための導電性の金属材料からなる外部負電極５２ａが配置されるとともに、セラミックス層７１ａ，７１ｃの電極取り出し部７５ａ，７５ｂ，７５ｃのそれぞれを電気的に接続するための導電性の金属板からなる外部負電極５２ｂが配置され、更に外部負電極５２ａと外部負電極５２ｂとが電気的に接続される。従って、セラミックス層７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，４０ａ，４０ｃ，４０ｅの各電極又はダミー電極は、同じ電位になる。
【００３９】
一方、圧電セラミックス層４０ｂ，４０ｄ，４０ｆのそれぞれの電極取り出し部４５ａ，４５ａ，４５ａ同士を電気的に接続するための導電性の金属材料からなる外部正電極５４ａが配置される。同様に、圧電セラミックス層４０ｂ，４０ｄ，４０ｆのそれぞれの電極取り出し部４５ｂ，４５ｂ，４５ｂ同士を電気的に接続するための導電性の金属材料からなる外部正電極５４ｂが配置され、圧電セラミックス層４０ｂ，４０ｄ，４０ｆのそれぞれの電極取り出し部４５ｃ，４５ｃ，４５ｃ同士を電気的に接続するための導電性の金属材料からなる外部正電極５４ｃが配置される。なお、これらの外部電極は、活性層３８及び拘束層７０の側面に金属材料が直接印刷又は塗布されて形成されるが、別途金属板で電極を形成し当接させて接続するようにしてもよいし、またワイヤをハンダ付けして接続する等種々の構成が可能である。
【００４０】
ここで、ダミー電極については、拘束層７０のセラミックス層７１の駆動変形には寄与しないので、駆動電圧を印加する必要がない。しかしながら、ダミー電極を電気的に極性を持たない絶縁状態にしておいても、活性層３８の最上層の内部負電極層４２との間で電位差を発生することがある。この電流は小さいのでセラミックス層７１の駆動変形に寄与するものではないが、電力損失をもたらすので、特に電源に電池を用いた場合に使用時間が短くなるという不利益がある。そこで、拘束層７０においてダミー電極が活性層３８に形成された内部負電極層４２に電気的に接続している。そうすれば、拘束層７０のダミー電極と活性層３８の最上層の内部負電極層４２との間に電位差の発生を防ぐことができるものである。
【００４１】
上記のように構成されたアクチュエータのブロックを１３０℃程度のシリコンオイル等の絶縁オイルが満たされた図示しないオイルバスの中に浸し、その外部負電極５２と外部正電極５４ａ〜５４ｃとの間に２．５ｋｖ／ｍｍ程度の電界を印加し、活性層３８の各圧電セラミックス層４０に分極処理を施す。
【００４２】
また、図２に示すように外部負電極５２ａは、図示しないコードでアースされてグランド電位とされる。また、外部正電極５４ａは、開閉スイッチ６２ａを介し駆動電源の正極に図示しないコードで接続される。同様に、外部正電極５４ｂは、開閉スイッチ６２ｂを介し駆動電源６０の正極に図示しないコードで接続される。そして外部正電極５４ｃは、開閉スイッチ６２ｃを介し駆動電源６０の正極に図示しないコードで接続される。なお、駆動電源６０の負極はアースされている。この各スイッチ６２ａ〜６２ｃが図示しないコントローラによって閉じられることにより、駆動電源６０から所定の圧電活性部４６ａ〜４６ｃに位置する内部負電極層４２と内部正電極層４４間に駆動電圧が印加されるように構成される。
【００４３】
このようにして得られた活性層３８と、拘束層７０が一体になったブロックと、キャビティ３０を図５に示すように組み付けることによりヘッド１５が構成される。
【００４４】
ここで、アクチュエータ３の変形例について説明する。図７は、アクチュエータ３の変形例であるアクチュエータ２０３を示す図である。なお、アクチュエータ３と同一の構成の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。以下の変形例についても同様である。アクチュエータ２０３は、アクチュエータ３と同様、活性層２３８、拘束層２７０から形成される。この活性層２３８は、４層の圧電セラミックス層４０から構成される。また、拘束層２７０は、ダミー負電極７２を有するセラミックス層７１のみが５層積層されて構成され、各ダミー負電極７２は、それぞれがアース電極にアースされている。アクチュエータ３の活性層３８が図１に示すように、６層の圧電セラミックス層４０から構成されるのに対して、アクチュエータ２０３の活性層２３８は４層の圧電セラミックス層４０から構成されることで異なる。また、アクチュエータ３を構成する拘束層７０が図４に示すように、グリーンシート５０とグリーンシート５１を交互に３層積層して焼成されたものであるのに対して、アクチュエータ２０３の拘束層２７０では、グリーンシート５１のみを５層積層し焼成されて図７に示すセラミックス層７１とダミー電極７２とが形成されることで異なる。アクチュエータ２０３に示すように、活性層２３８や拘束層２７０として積層される圧電セラミックス層４０，セラミックス層７１の数は、各種の条件により変更可能である。また、ダミー電極として配設される電極の焼成時の収縮率が、反りを防止する一定範囲内にあれば、拘束層７０をグリーンシート５１のみで構成することも可能である。
【００４５】
次に、アクチュエータ３の別の変形例について説明する。図８は、アクチュエータ３の別の変形例であるアクチュエータ３０３を示す図である。アクチュエータ３０３は、アクチュエータ２０３と同様活性層３３８が４層の圧電セラミックス層４０から構成される。また、拘束層３７０は、ダミー正電極７３ａ，７３ｂ，７３ｃを備えたグリーンシート５０のみが５層積層され焼成されて構成され、それぞれがアース電極にアースされている。前述のアクチュエータ２０３と同様、ダミー正電極の焼成時の収縮率が、反りを防止する一定範囲内にあれば、拘束層３７０をグリーンシート５０のみを用いて構成することも可能である。
【００４６】
アクチュエータ３のさらに別の変形例について説明する。図９は、アクチュエータ３のさらに別の変形例であるアクチュエータ４０３を示す図である。アクチュエータ４０３は、アクチュエータ３と同様に、活性層４３８と拘束層４７０を備えるが、活性層４３８がアクチュエータ２０３，３０３と同じように４層の圧電セラミックス層４０から構成されることがアクチュエータ３と異なる。また、アクチュエータ３を構成する拘束層７０が図４に示すように、グリーンシート５０とグリーンシート５１を交互に３層積層し焼成したものであるのに対して、アクチュエータ４０３の拘束層４７０は、グリーンシート５０と５１を４層積層し、その下部に、電極を備えてないグリーンシート（圧電セラミックス層４７１を構成する）を積層し焼成したことで異なる。つまり、活性層４３８及び拘束層４７０全体で積層方向である上下方向が対称の構成であれば、ダミー電極を備えない圧電セラミックス４７１により拘束層４７０を構成しても、収縮率の差から焼成時に反りを生じることがない。
【００４７】
さらに、図９に示すように圧電セラミックス層４７１の厚さが、他の圧電セラミックス層４０，セラミックス層７１と異なるものであっても、活性層４３８及び拘束層４７０全体で積層方向である上下方向が対称の構成であれば、収縮率の差から焼成時に反りを生じることがない。
【００４８】
以上のように構成された圧電式インクジェットプリンタヘッド１５のアクチュエータ３の動作について図１及び図２を参照して説明する。
【００４９】
所定の印字データに従って、コントローラが任意のスイッチ、例えば開閉スイッチ６２ａを閉じると、圧電活性部４６ａの範囲にある内部負電極層４２と内部正電極層４４ａとの間に電圧が印加され、それらの範囲に位置する圧電セラミックス層４０に電界が生じ、電歪効果により圧電活性部４６ａにある内部正電極層４４ａの周囲が、図１の上下方向に伸長しようとする力が生じる。このとき、拘束層７０のセラミックス層７１ａ，７１ｂ，７１ｃには電界が生じないので、伸縮することがない。そのため、活性層３８において上下方向に伸長しようとする力は、主に下方に向かって活性層３８を変形させる。そして、図２の矢印に示すように活性層３８がインクチャンネル３２ａの容積を減少させる。そして、インクチャンネル３２ａ内のインクはオリフィス３７ａから液滴３９となって噴射される。つまり、本実施の形態のアクチュエータ３は、インクジェットプリンタ１の圧電式インクジェットプリンタヘッド１５の圧電アクチュエータとして機能するものである。なお、開閉スイッチ６２ａが開いて電圧の印加が遮断され圧電活性部４６ａが元の位置まで戻されると、その時インクチャンネル３２ａの容積増加に伴って図示しない弁を経て図６に示すインク供給装置１６からインクが補充される。
【００５０】
この活性層３８の内部正電極層４４ａ近傍における変形は、もし拘束層７０がなかったとしたら、活性層３８の上下を等しく変形させる。一方、本実施の形態のアクチュエータ３のように拘束層７０が設けられている場合は、この高い剛性をもった拘束層７０が活性層３８と一体に焼成されており、且つ開閉スイッチ６２ａを閉じた場合でも電界が生じないため変形しないので、活性層３８において生じた変形は、主に拘束層７０の反対側である活性層３８の下部側、つまりインクチャンネル３２ａ側を変形させる。従って、内部正電極層４４ａの近傍において生じた変形量が同じであれば、拘束層７０を有さない構造に比較して、拘束層７０を備えたアクチュエータ３の方がインクチャンネル３２ａ側の変形を大きくすることができる。そのため、インクチャンネル３２ａの容量をより減少させてインクの噴射量を多くすることができる。つまり、同じ電圧を印加しても、拘束層７０を備えたことで、インクの噴射量を多くできる。言い換えれば、所定量のインクを噴射させたい場合、印加する電圧を小さくできるので小電力化を図ることができる。
【００５１】
ここで、図３は、アクチュエータ３の拘束層７０の構成枚数を変化させた時の駆動すべきインクチャンネル３２である駆動チャンネル（グラフにおいて駆動Ｃｈと表記する。）と、この駆動チャンネルに隣接するインクチャンネル３２である隣接チャンネル（グラフにおいて隣接Ｃｈと表記する。）の各インクチャンネルにおける断面積変化を示す図である。ここで断面積変化とは、活性層３８が、インクチャンネル３２に突出して、インクチャンネル３２の断面積が減少又は増加する量を示したものである。このときの駆動電圧は２６Ｖである。まず、結果を示すと、拘束層数が０即ち拘束層７０が無しの場合は駆動Ｃｈが３．９１０（×１０−６ｍｍ２）で、隣接チャンネルが０．９００（×１０−６ｍｍ２）であった。以下同様に駆動チャンネル／隣接チャンネルの順で拘束層数による断面積変化を単位を省略していうと、１枚の場合は、３．５８８／０．５１２、２枚の場合は、３．６０３／０．３９１、３枚の場合は、３．６９３／０．３９４、４枚の場合は３．７８４／０．４４１、５枚の場合は、３．８５９／０．４９６、６枚の場合は、３．９１６／０．５４４であった。
【００５２】
この結果を図３に示すグラフで見ると、拘束層７０がない場合は、３．９１０（×１０−６ｍｍ２）と駆動チャンネルの断面積の減少が大きいといえるが、隣接チャンネルの断面積変化が０．９００（×１０−６ｍｍ２）と大きいため、いわゆるクロストークが発生してＳ／Ｎ比が悪化し印字品質が低下するおそれがあり、好ましくない。これは、活性層３８自体の剛性が低いため駆動チャンネルの断面積の減少も大きいが、駆動チャンネルの活性層３８自体が横方向にも変形するため、活性層３８自体の平面性も損なわれ、隣接チャンネル側の活性層３８が上方に変形し且つ隣接チャンネルとの間の壁面が駆動チャンネル側に変形することにより、隣接チャンネルの断面積が増加するためである。
【００５３】
拘束層数が１枚の場合は、駆動チャンネルの活性層３８の変形が拘束され駆動チャンネルの断面積変化は３．５８８（×１０−６ｍｍ２）と一旦減少し、これに対して隣接チャンネルの断面積変化も０．５１２（×１０−６ｍｍ２）と減少する。しかしアクチュエータ３としての剛性が低いため、まだ隣接チャンネルの変形が大きく、Ｓ／Ｎ比はまだ比較的大きい。そして、拘束層数が２になると、拘束層７０の剛性も高まるため拘束層７０側の変形が小さくなって、アクチュエータ３としての剛性が高まり、隣接チャンネルの変形が０．３９１（×１０−６ｍｍ２）と最小になるとともに、活性層３８の変形が効率よく伝わり駆動チャンネルの断面積変化は３．６０３（×１０−６ｍｍ２）と上昇する。ここでは、隣接チャンネルの断面積変化が十分小さくなっていることと、駆動チャンネルの断面積変化が大きくなっていることから、Ｓ／Ｎ比が向上して印字品質が向上している。
【００５４】
拘束層数が３枚以上になると、さらに内部正電極層４４近傍の変形が効率よくインクチャンネル３２側に伝わるとともに、隣接チャンネルの断面積変化も大きくならないため、適切なＳ／Ｎ比が維持される。
【００５５】
この結果から、本実施の形態のアクチュエータ３においては、適切なＳ／Ｎ比が得られ、且つ構造が簡単になる拘束層数としては、３が最も適当であるという結論になった。もちろん、活性層３８の枚数や厚さ、材料、駆動電圧、インクチャンネル３２の容量、インクの噴射量等条件が異なれば、最適な拘束層７０の条件も異なってくるのはもちろんであるが、最適な拘束層７０の条件としては、不規則な変形が生じることにより、隣接チャンネルに無用な変形を生じさせない程度の剛性をアクチュエータ３に与えることと、活性層３８の内部正電極層４４近傍の変形を効率的にインクチャンネル３２側に伝えるための剛性を備えることにある。
【００５６】
本実施の形態のアクチュエータ３は、活性層３８の駆動変形を、インクチャンネル３２と反対側に一体に形成され活性層３８を規制する拘束層７０とを備えるため、活性層３８の変形を効率的にインクチャンネル３２の容積変化に用いることができるという効果がある。そのため、インクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インクチャンネル３２の容積変化を抑えクロストークを防止することができるという効果を奏する。さらに、活性層３８と拘束層７０とは一体に焼成されて形成されるので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減って製造工程が簡略化され、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができるという効果もある。
【００５７】
また、アクチュエータ３は、拘束層７０が活性層３８と同じ圧電セラミックス材料から構成されているので、活性層３８を構成するグリーンシート５０，５１をそのまま拘束層７０に流用でき、製造を簡略化し製造コストを低減することができるという効果がある。さらに、同一の材料であれば一体に焼成した場合の馴染みがよく、且つ歪み等が生じにくく、高い精度を実現できるという効果がある。
【００５８】
さらにアクチュエータ３では、拘束層７０に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成されているため、活性層３８と拘束層７０とを一体に焼成する場合に、活性層３８と拘束層７０とを積層した厚み方向における収縮率の差が均一化され、活性層３８と拘束層７０の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができるという効果がある。そのため、キャビティ３０に対しても密着して接着でき高い精度を達成できるという効果を奏する。
【００５９】
特にアクチュエータ３では、電極及びダミー電極が、活性層３８と拘束層７０とにおいて、積層される厚み方向に略対称に構成されているため、活性層３８と拘束層７０とを一体に焼成する場合に、活性層３８と拘束層７０とを積層した厚み方向における収縮率の差が略同一になり、活性層３８と拘束層７０の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止してさらに高い平面性を維持することができるという効果がある。
【００６０】
そして、アクチュエータ３は、拘束層７０に形成されたダミー電極が活性層３８の電極に電気的に接続されているため、誘電体であるセラミックス等を介して活性層３８に設けられた電極とこれに対面するように設けられた拘束層７０のダミー電極との間において、電位差を生じさせることがないという効果がある。従って、電位差の発生に伴う無駄な電力を消費することもないという効果を奏する。
【００６１】
なお、本実施の形態に示すアクチュエータ３の製造方法によれば、インクチャンネル３２と反対側に活性層３８を規制する拘束層７０とを焼成により形成するので、活性層３８の変形を効率的にインクチャンネル３２の容積変化に用いることができ、インクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インクチャンネル３２の容積変化を抑えクロストークを防止することができるという効果がある。特に、活性層３８と拘束層７０とを一体に焼成して形成するので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減るため製造工程を簡略化でき、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができるという効果もある。
【００６２】
次に、アクチュエータ３の変形例を図１０を参照して説明する。図１０は、アクチュエータ３の変形例であるアクチュエータ５０３を示す図である。なお、アクチュエータ３と同一の構成の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。以下の変形例についても同様である。アクチュエータ５０３は、アクチュエータ３と同様、活性層４３８、拘束層５７０、キャビティ３０から形成される。この活性層４３８は、６層の圧電セラミックス層４０から構成される。また、拘束層５７０は、ダミー負電極７２が上面に形成されたセラミックス層７１が２層積層され、その上にダミー負電極７２が形成されていないセラミックス層７１が２層積層されて形成されている。このアクチュエータ５０３は、拘束層５７０の上側２層をダミー負電極７２が形成されていないセラミックス層７１により構成しているので、ダミー負電極７２を設けたことによる圧電アクチュエータの反りを防止することができる。また、内部負電極層４２に隣接して、電極層のないセラミックス層が大きな体積で存在すると、焼成時に内部負電極層４２が拡散してしまうが、拘束層５７０の下側２層には、ダミー負電極７２が上面に形成されたセラミックス層７１を用いているので、焼成時に内部負電極層４２が拡散することを防止できる。
【００６３】
以上、一の実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改良をし変更をすることが可能であることは容易に推察できるものである。
【００６４】
【発明の効果】
上記説明より明らかなように、請求項１に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータによれば、活性層の駆動変形を、活性層のインク室とは反対側に一体に形成され活性層を規制する拘束層とを備えるため、活性層の変形を効率的にインク室の容積変化に用いることができるという効果がある。そのため、インクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インク室の容積変化を抑えクロストークを防止することができるという効果を奏する。さらに、拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、活性層と拘束層とは一体に焼成されて形成され、ダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されるので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減って製造工程が簡略化され、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができるという効果もある。また、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。そのため、キャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できるという効果を奏する。さらに、拘束層に形成されたダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されているため、誘電体であるセラミックス等を介して活性層に設けられた電極とこれに対面するように設けられた拘束層のダミー電極との間において、電位差を生じさせることがない。従って、電位差の発生に伴う無駄な電力を消費することもないという効果を奏する。
【００６５】
また、請求項２に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータによれば、請求項１に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの効果に加え、拘束層が活性層と同じ材料から構成されているので、活性層を構成する部材をそのまま拘束層を構成する部材に流用でき、製造を簡略化し製造コストを低減することができるという効果がある。さらに、同一の材料であれば一体に焼成した場合の馴染みがよく、且つ歪み等が生じにくく、高い精度を実現できるという効果がある。
【００６６】
請求項３に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータによれば、請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの効果に加え、電極及びダミー電極が、活性層と拘束層とにおいて、積層される厚み方向に略対称に構成されているため、活性層及び拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が略同一になり、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができるという効果がある。そのため、キャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できるという効果を奏する。
【００６７】
また、請求項４に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータによれば、請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの効果に加え、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層と当該ダミー電極が形成されていない層とが形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差がバランス良く均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。
【００６８】
請求項５に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータによれば、請求項４に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの効果に加え、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層の上に当該ダミー電極が形成されていない層が積層されて構成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する際に、活性層上の電極パターンが拡散してしまうのをダミー電極によって抑えることができるとともに、収縮率の差がバランス良く均一化され反りを防止して高い平面性を維持することができる。
【００６９】
請求項６に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの効果に加え、前記拘束層は、前記ダミー電極が形成された層と前記ダミー電極が形成されていない層とから構成され、前記ダミー電極が形成されていない層は、前記ダミー電極が形成された層と前記活性層との間に挟まれて積層できる。
【００７０】
請求項７に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの製造方法によれば、インク室とは反対側に活性層を規制する拘束層とを焼成により形成するので、活性層の変形を効率的にインク室の容積変化に用いることができ、インクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インク室の容積変化を抑えクロストークを防止することができるという効果がある。特に、前記拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、活性層と拘束層とを一体に焼成して形成し、前記ダミー電極が前記活性層の電極に電気的に接続されるので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減るため製造工程を簡略化でき、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができるという効果もある。また、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。そのため、キャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できる。さらに、拘束層に形成されたダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されているため、誘電体であるセラミックス等を介して活性層に設けられた電極とこれに対面するように設けられた拘束層のダミー電極との間において、電位差を生じさせることがない。従って、電位差の発生に伴う無駄な電力を消費することもないという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧電式インクジェットプリンタヘッド１５の要部断面図である。
【図２】 アクチュエータ３の電気的な接続を示す模式図である。
【図３】 アクチュエータ３の拘束層７０の構成枚数を変化させた時の駆動すべきインクチャンネル３２である駆動チャンネルと、この駆動チャンネルに隣接するインクチャンネル３２である隣接チャンネルの各インクチャンネルにおける断面積変化を示す図である。
【図４】 活性層３８及び拘束層７０の構造を示す分解斜視図である。
【図５】 ヘッド１５の要部の構造を示す分解斜視図である。
【図６】 インクジェットプリンタ１の要部を示す図である。
【図７】 アクチュエータ３の変形例であるアクチュエータ２０３を示す図である。
【図８】 アクチュエータ３の別の変形例であるアクチュエータ３０３を示す図である。
【図９】 アクチュエータ３の別の変形例であるアクチュエータ４０３を示す図である。
【図１０】 アクチュエータ３の別の変形例であるアクチュエータ５０３を示す図である。
【図１１】 従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータであるアクチュエータ１０３を示す図である。
【符号の説明】
１ インクジェットプリンタ
３ アクチュエータ
１０ プラテン
１１ 用紙
１２ 軸
１３ フレーム
１４ モータ
１５ 圧電式インクジェットプリンタヘッド
１６ インク供給装置
１８ キャリッジ
２０ａ ガイドロッド
２０ｂ ガイドロッド
２１ 従動プーリ
２２ 駆動プーリ
２３ モータ
２４ タイミングベルト
３０ キャビティ
３２ インクチャンネル
３２ａ インクチャンネル
３２ｂ インクチャンネル
３２ｃ インクチャンネル
３４ チャンネル本体
３６ オリフィスプレート
３７ オリフィス
３７ａ オリフィス
３７ｂ オリフィス
３７ｃ オリフィス
３８ 活性層
３９ 液滴
４０ 圧電セラミックス層
４２ 内部負電極層
４３ 電極取り出し部
４４ 内部正電極層
４４ａ 内部正電極層
４４ｂ 内部正電極層
４４ｃ 内部正電極層
４５ 電極取り出し部
４５ａ 電極取り出し部
４５ｂ 電極取り出し部
４５ｃ 電極取り出し部
４６ 圧電活性部
４６ａ 圧電活性部
４６ｂ 圧電活性部
４６ｃ 圧電活性部
４８ 圧電不活性部
５０ グリーンシート
５１ グリーンシート
５２ 外部負電極
５２ａ 外部負電極
５２ｂ 外部負電極
５４ 外部正電極
５４ａ 外部正電極
５４ｂ 外部正電極
５４ｃ 外部正電極
６０ 駆動電源
６２ 開閉スイッチ
６２ａ 開閉スイッチ
６２ｂ 開閉スイッチ
６２ｃ 開閉スイッチ
７０ 拘束層
７１ セラミックス層
７１ａ セラミックス層
７１ｂ セラミックス層
７１ｃ セラミックス層
７２ ダミー負電極
７３ａ ダミー正電極
７３ｂ ダミー正電極
７３ｃ ダミー正電極
７４ 電極取り出し部
７５ａ 電極取り出し部
７５ｂ 電極取り出し部
７５ｃ 電極取り出し部
８０ 変形拘束部材
９０ａ 噴射装置
９０ｂ 噴射装置
９０ｃ 噴射装置
１０３ アクチュエータ
２０３ アクチュエータ
３０３ アクチュエータ
４０３ アクチュエータ
５０３ アクチュエータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタに用いられるインクジェットプリンタヘッドにおいて、キャビティのインク室に隣接して設けられた圧電素子を用いて、この圧電素子に電圧を印加することでインク室の容積を小さくしてインクをオリフィスから噴射させて印刷をする圧電式インクジェットプリンタヘッドが知られている。
ここで図１１は、従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドを示す図である。例えば、本願出願人が、特開平４−３４１８５１号公報において提案した圧電式インクジェットプリンタヘッドでは、図１１に示すように、圧電セラミックス層４０と内部負電極層４２、内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃとを交互に積層して圧電アクチュエータを形成し、且つ内部正電極層４４ａ〜４４ｃを複数の噴射装置９０ａ，９０ｂ，９０ｃに対応するように分割し、圧電アクチュエータを複数の噴射装置９０ａ，９０ｂ，９０ｃに跨って設けてあるものである。このような構成の圧電式インクジェットプリンタヘッドでは、部品点数が少ない上に、簡単な構造であり、高解像度化も電極パターンの変更により簡単であり、また積層圧電アクチュエータであることで駆動電圧が低減され、さらに変形拘束部材８０を別途接着することによりインク室とは反対方向への積層圧電アクチュエータの変形を拘束したので、アクチュエータの変形が有効にインク室側へ向けられ低電圧でも駆動できるものである。また、積層圧電アクチュエータの変則的な変形から、隣のインク室を変形させることから生じるクロストークを低減させ、Ｓ／Ｎ比を向上させることもできた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この圧電式インクジェットプリンタヘッドでは、シート状の圧電セラミックス層４０と内部電極層４２，４４ａ〜４２ｃとを交互に積層してプレスして焼成し、焼成後、別途接着剤等を用いて変形拘束部材８０を接着して製造していた。そのため、工程が複雑になって工数が増加し、製造コストが上昇するという問題があった。
【０００４】
この発明は上記課題を解決するものであり、クロストークが少なく、且つインク室とは反対方向への積層圧電素子の変形を拘束することが可能で、さらに組立てが簡略で製造コストを低く抑えることができる圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、インクを噴射する複数の噴射ノズルを備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドのインク室に面するように配置され、表面に電極パターンが形成された圧電材料からなるシート状の部材が１又は複数枚積層され、伸縮作用により前記インク室内の容積を変化させることが可能な活性層と、当該活性層の前記インク室と対向する面とは反対の面に配置され、前記活性層と一体に形成可能な材料からなるシート状の部材が１又は複数枚積層され、前記活性層の駆動変形を規制する拘束層とを備え、前記拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、前記活性層と前記拘束層とは一体に焼成されて形成され、前記ダミー電極が前記活性層の電極に電気的に接続されたことを特徴とする。
【０００６】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、活性層の駆動変形を、活性層のインク室とは反対側に一体に形成され活性層を規制する拘束層とを備え、活性層の変形を効率的にインク室の容積変化に用いることができるのでインクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インク室の容積変化を抑えクロストークを防止することができる。さらに、拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、活性層と拘束層とは一体に焼成されて形成され、ダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されるので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減って製造工程が簡略化され、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができる。また、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。そのため、キャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できる。さらに、拘束層に形成されたダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されているため、誘電体であるセラミックス等を介して活性層に設けられた電極とこれに対面するように設けられた拘束層のダミー電極との間において、電位差を生じさせることがない。従って、電位差の発生に伴う無駄な電力を消費することもない。
【０００７】
請求項２に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成に加え、前記拘束層は、前記活性層と同じ材料から構成されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、拘束層が活性層と同じ材料から構成されているので、活性層を構成する部材をそのまま拘束層を構成する部材に流用でき、製造を簡略化し製造コストを低減することができる。さらに、同一の材料であれば一体に焼成した場合の馴染みがよく、且つ歪み等が生じにくく、高い精度を実現できる。
【０００９】
請求項３に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成に加え、前記電極及び前記ダミー電極は、前記活性層及び前記拘束層全体において、厚み方向に略対称に構成されたことを特徴とする。
【００１０】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、電極及びダミー電極が、活性層と拘束層とにおいて、積層される厚み方向に略対称に構成されているため、活性層及び拘束層全体を一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が略同一になり、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止してさらに高い平面性を維持することができる。そのためキャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できる。
【００１１】
請求項４に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成に加え、前記拘束層は、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層と当該ダミー電極が形成されていない層とから構成されたことを特徴とする。
【００１２】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの作用に加え、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層と当該ダミー電極が形成されていない層とが形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差がバランス良く均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。
【００１３】
請求項５に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項４に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成に加え、前記拘束層は、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層の上に当該ダミー電極が形成されていない層が積層されて構成されたことを特徴とする。
【００１４】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項４に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの作用に加え、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層の上に当該ダミー電極が形成されていない層が積層されて構成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する際に、活性層上の電極パターンが拡散してしまうのをダミー電極によって抑えることができるとともに、収縮率の差がバランス良く均一化され反りを防止して高い平面性を維持することができる。
【００１５】
請求項６に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの構成に加え、前記拘束層は、前記ダミー電極が形成された層と前記ダミー電極が形成されていない層とから構成され、前記ダミー電極が形成されていない層は、前記ダミー電極が形成された層と前記活性層との間に挟まれて積層されたことを特徴とする。
【００１６】
請求項７に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの製造方法では、インクを噴射する複数の噴射ノズルを備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドのインク室に面するように配置され、表面に電極パターンが形成されたシート状の焼成可能な圧電材料が１又は複数枚積層され、伸縮作用により前記インク室内の容積を変化させることが可能な活性層と、当該活性層の前記インク室と対向する面とは反対の面に配置され、前記活性層と一体に焼成可能なシート状の圧電材料が１又は複数枚積層され、前記活性層の駆動変形を規制する拘束層とを備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの製造方法において、前記拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、前記活性層と前記拘束層とを焼成して一体に形成し、前記ダミー電極が前記活性層の電極に電気的に接続されることを特徴とする。
【００１７】
この構成に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの製造方法では、インク室とは反対側に活性層を規制する拘束層とを焼成により形成するので、活性層の変形を効率的にインク室の容積変化に用いることができ、インクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インク室の容積変化を抑えクロストークを防止することができる。特に、前記拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、活性層と拘束層とを一体に焼成して形成し、前記ダミー電極が前記活性層の電極に電気的に接続されるので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減るため製造工程を簡略化でき、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができる。また、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。そのため、キャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できる。さらに、拘束層に形成されたダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されているため、誘電体であるセラミックス等を介して活性層に設けられた電極とこれに対面するように設けられた拘束層のダミー電極との間において、電位差を生じさせることがない。従って、電位差の発生に伴う無駄な電力を消費することもない。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータを、図１〜図６を参照して詳細に説明する。なお、説明の都合上、従来例と同一部位あるいは均等部位には同一符号を付け、その説明を省略する。
【００２２】
図６は、インクジェットプリンタ１の要部を示す図である。プラテン１０は、用紙１１の搬送方向と直交して水平に設けられる。このプラテン１０は、軸１２を備えフレーム１３に回転可能に軸支されており、モータ１４により、駆動ギヤ列を介して駆動される。プラテン１０に対向した位置には、圧電式インクジェットプリンタヘッド１５が設けられている。
【００２３】
この圧電式インクジェットプリンタヘッド１５は、インク供給装置１６とともにキャリッジ１８上に配置されている。キャリッジ１８は、プラテン１０の軸１２の軸線に平行に配設された２本のガイドロッド２０ａ，２０ｂ（以下まとめてガイドロッド２０という）に摺動可能に支持されると共に、一対の従動プーリ２１、駆動プーリ２２に巻き掛けられたタイミングベルト２４に結合されている。そして、駆動プーリ２２がモータ２３によって駆動され、タイミングベルト２４が所定方向に送られる。そのため、キャリッジ１８は、ガイドロッド２０に案内されながら、タイミングベルト２４に駆動され、プラテン１０に圧電式インクジェットプリンタヘッド１５を対面させた状態でプラテン１０に沿って移動される。
【００２４】
図１は、圧電式インクジェットプリンタヘッド１５の要部断面図である。このヘッド１５は、キャビティ３０と、活性層３８及び拘束層７０からなる圧電アクチュエータ３とから構成される。キャビティ３０には、インク室として機能する上方が開放された空間であるインクチャンネル３２ａ，３２ｂ，３２ｃ（以下特に区別しない場合はインクチャンネル３２という。）が設けられ、その底面にはインクを噴射するオリフィス３７ａ，３７ｂ，３７ｃ（以下特に区別しない場合はオリフィス３７という。）をそれぞれ備える。
【００２５】
このキャビティ３０の上方に設けられた活性層３８は、表面に電極パターンが形成された圧電セラミックス層４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ（以下特に区別しない場合は圧電セラミックス層４０という。）が積層されて形成され、活性層３８の電歪効果によりインクチャンネル３２の容積を変化させて、インクチャンネル３２に貯留されたインクをオリフィス３７から噴射させる。そして活性層３８のさらに上方に活性層３８と一体に形成された拘束層７０は、セラミックス層７１ａ，７１ｂ，７１ｃ（以下特に区別しない場合はセラミックス層７１という。）が積層されて形成され、活性層３８の上側への駆動変形を規制するとともに、アクチュエータ３全体の剛性を高めてクロストークを防止する。
【００２６】
図４は、活性層３８及び拘束層７０の構造を示す分解斜視図である。また、図５は、ヘッド１５の構造を示す分解斜視図である。以下、各構成を詳細に説明する。
【００２７】
キャビティ３０は、図５に示すように全体が直方体に形成されたチャンネル本体３４内部に、内部の幅がおよそ２５０μｍで、高さ６０μｍである３つのインク室であるインクチャンネル３２ａ，３２ｂ，３２ｃが平行に配列される。従って、チャンネル本体３４の水平断面は、「目」の字形に構成される。チャンネル本体３４の底部には、インクを噴射するための各インクチャンネル３２ａ〜３２ｃに対応したノズル孔であるオリフィス３７を有するオリフィスプレート３６が蓋状に配置される。そして、チャンネル本体３４とオリフィスプレート３６は、鉄系の材料で構成され、接着により一体化される。なお、セラミックス等により焼成して一体成型したり、あるいはアルミナ系の材料等を用いインジェクションにより一体に形成してもよい。また、各インクチャンネル３２ａ〜３２ｃは、インク供給装置１６（図６参照）から連通された図示しない供給路によりインクの供給を受け、常時インクが充填される。
【００２８】
そして、インクチャンネル３２に貯留されたインクは所定の負圧がかかるように設定され、そのためインクはオリフィス３７において表面張力により外部に向かって凹のメニスカスを形成する。従って、通常はオリフィス３７からインクが漏出しないが、内圧が高まった場合のみ、インクがオリフィス３７より噴射される。なお、インクチャンネル３２の内圧が高まった場合にインク供給装置１６のインクが逆流しないように図示しない逆止弁が供給路に設けられている。また、本実施の形態のように、インクチャンネル３２内にオリフィス３７が設けられるもの以外にも、インクチャンネル３２からさらにインクの導出路を設けてオリフィス３７を配置し、噴射方向等を調節したり、インクチャンネル３２の底部以外にオリフィス３７を配置するようにしてもよい。
【００２９】
活性層３８は、図４に示すように、内部負電極層４２又は内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃ（以下特に区別しない場合は内部正電極層４４という。）を備えた複数の圧電セラミックス層４０ａ〜４０ｆから構成される。
【００３０】
圧電セラミックス層４０は、電歪効果を有する圧電セラミックスの薄板状シートから構成される。圧電セラミックス層４０ａ，４０ｃ，４０ｅの上面には、圧電セラミックス層４０の周縁端部を除いて全体を覆う内部負電極層４２と、この電極を外部と電気的に接続するための電極取り出し部４３が後述するように形成される。同様に、圧電セラミックス層４０ｂ，４０ｄ，４０ｆの上面には、図５に示すインクチャンネル３２ａ〜３２ｃに対して１対１で対応するように平行に配列され且つ図１における幅方向がおよそ１２０μｍである３本の帯状の内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃと、この電極をそれぞれ外部と電気的に接続するための電極取り出し部４５ａ，４５ｂ，４５ｃが形成される。内部負電極層４２と内部正電極層４４ａ〜４４ｃは、Ａｇ−Ｐｄ系の金属材料からなり、厚さが約２μｍである。そしてこれらの２種類の電極パターンが印刷された圧電セラミックス層４０が交互に複数枚積層される。
【００３１】
従って、このように積層された各圧電セラミックス層４０は、図１に示すように内部負電極層４２と内部正電極層４４ａ〜４４ｃとに挟まれて位置する。また、内部正電極層４４ａ〜４４ｃは帯状に形成されているため、各圧電セラミックス層４０内において、図１上部にその範囲を示すように、内部負電極層４２と内部正電極層４４ａ〜４４ｃとに挟まれ、その幅が約１２０μｍである圧電活性部４６ａ，４６ｂ，４６ｃと、内部負電極層４２、内部正電極層４４ａ〜４４ｃに挟まれていない圧電不活性部４８が形成される。つまり、圧電セラミックス層４０の中で正極及び負極間に電圧を印加された場合に電界が生じ電歪効果により垂直方向に変形する部分と、電圧を印加しても電界が生じない変形しない部分ができることになる。そして、活性層３８は、圧電活性部４６ａ〜４６ｃが、キャビティ３０のインクチャンネル３２ａ，３２ｂ，３２ｃに対応する位置になるようにチャンネル本体３４が固着されている。
【００３２】
拘束層７０は、セラミックス層７１ａ，７１ｂ，７１ｃから構成される。セラミックス層７１は、活性層３８の圧電セラミックス層４０と同一の構成、材料、大きさである。さらに、拘束層７０のセラミックス層７１ａ，７１ｃは、活性層３８の圧電セラミックス層４０ｂ，４０ｄ，４０ｆの内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃ及び電極取り出し部４５ａ，４５ｂ，４５ｃと同一構成のダミー正電極７３ａ，７３ｂ，７３ｃ及び図２に示す電極取り出し部７５ａ，７５ｂ，７５ｃを備える。また、拘束層７０のセラミックス層７１ｂは、活性層３８の圧電セラミックス層４０ａ，４０ｃ，４０ｅの内部負電極層４２及び電極取り出し部４３と同一構成のダミー負電極７２及び図２に示す電極取り出し部７４を備える。ここで、上記のように電極等が印刷された圧電セラミックス層４０，セラミックス層７１となるグリーンシート５０，５１は共通部品として共用することもできる。但し、アクチュエータ３を形成した後には、その配置された位置と、後述するような電気的な配線が異なり、その機能が異なるため、その名称が異なるものである。
【００３３】
活性層３８及び拘束層７０は、以下の製造方法によって製造される。まず、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ３・ＰｂＺｒＯ３））系のセラミックス粉末、バインダ、溶剤を混合して粘度１０，０００〜３０，０００ＣＰＳに調整した混合液を調製し、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等のプラスチックフィルム上に広げて乾燥させ９枚のグリーンシートを形成する。このグリーンシートの厚さはおよそ２２．５〜２８μｍである。さらに、この内の５枚のグリーンシート５０は、シート上の内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃ及び電極取り出し部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ又はダミー正電極７３ａ，７３ｂ，７３ｃ及び電極取り出し部７５ａ，７５ｂ，７５ｃとなる部分に金属材料をスクリーン印刷する。同様に、残り４枚のグリーンシート５１上には内部負電極層４２及び電極取り出し部４３又はダミー負電極７２及び電極取り出し部７４となる部分に金属材料を印刷する。
【００３４】
そして、この２種類のグリーンシート５０，５１のうちグリーンシート５０を一番下に、交互に９枚積層する。このようにグリーンシート５０，５１を積層すると、グリーンシート５０が上下の端になるように配置される。結局、活性層と拘束層として、名称は異なるが全く同じ構成のグリーンシート５０を５枚と、グリーンシート５１を４枚の合計９枚を交互に積層することになる。そして、まだこの段階では、活性層３８と拘束層７０の区別はない。
【００３５】
次にこのように構成された９枚のグリーンシート５０，５１を重ねて、全体を加熱プレスし、脱脂した後に、焼結して、活性層３８及び拘束層７０が一体となった圧電セラミックスのブロックを得る。
【００３６】
このグリーンシート５０，５１を積層したブロックを焼成する場合について説明する。アクチュエータ３は、既述のように活性層３８と拘束層７０とから構成されるが、活性層３８には電極が必須の構成である。一方、拘束層７０には、機能的には電極を設ける必要がない。しかしながら、このグリーンシート５０，５１を積層したブロックを焼成する場合、圧電セラミックスと電極を構成する金属材料では焼成した場合の収縮率が異なる。僅かでも収縮率が異なると、焼成後に活性層３８が反ったり、あるいは波打ったりしてその平面性が損なわれる。活性層３８の平面性が損なわれると、キャビティ３０に密着して接着する場合に、密着度が下がり、インクチャンネル３２からのインクの漏出を生じたりして不良製品を生じたり、あるいは活性層３８の再研磨が必要になり工数が増加し生産コストが上昇したり、充填剤により充填をすることで強度が低下する等の問題が生じる。
【００３７】
そこで、アクチュエータ３においては、上述のように、拘束層７０を活性層３８と同じ圧電セラミックス材料から構成することで、活性層３８と拘束層７０のセラミックスの焼成時の収縮率を同一にしている。その上で、拘束層７０は、活性層３８の圧電セラミックス層４０に設けられた内部負電極層４２、電極取り出し部４３、内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４４ｃ、電極取り出し部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ（以下電極と略す。）と同じものを、圧電セラミックス層７０の駆動変形に寄与しないダミー負電極７２、電極取り出し部７４、ダミー正電極７３ａ，７３ｂ，７３ｃ、電極取り出し部７５ａ，７５ｂ，７５ｃ（以下ダミー電極と略す。）が形成されている。このため、活性層３８も拘束層７０も全く同じ構成であるので、焼成時の収縮率を同一のものとすることができる。さらに、活性層３８と拘束層７０を合わせた全体において、電極及びダミー電極の配列を、厚み方向（積層方向）に対称に構成することで全体の収縮率を対称にし、焼成時の反りを生じないように構成している。
【００３８】
ここで、図２は、アクチュエータ３の電気的な接続を示す模式図である。以下アクチュエータ３の電気的な接続について説明する。図２に示すように、アクチュエータ３には、圧電セラミックス層４０ａ，４０ｃ，４０ｅの電極取り出し部４３と、セラミックス層７１ｂの電極取り出し部７４とを電気的に接続するための導電性の金属材料からなる外部負電極５２ａが配置されるとともに、セラミックス層７１ａ，７１ｃの電極取り出し部７５ａ，７５ｂ，７５ｃのそれぞれを電気的に接続するための導電性の金属板からなる外部負電極５２ｂが配置され、更に外部負電極５２ａと外部負電極５２ｂとが電気的に接続される。従って、セラミックス層７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，４０ａ，４０ｃ，４０ｅの各電極又はダミー電極は、同じ電位になる。
【００３９】
一方、圧電セラミックス層４０ｂ，４０ｄ，４０ｆのそれぞれの電極取り出し部４５ａ，４５ａ，４５ａ同士を電気的に接続するための導電性の金属材料からなる外部正電極５４ａが配置される。同様に、圧電セラミックス層４０ｂ，４０ｄ，４０ｆのそれぞれの電極取り出し部４５ｂ，４５ｂ，４５ｂ同士を電気的に接続するための導電性の金属材料からなる外部正電極５４ｂが配置され、圧電セラミックス層４０ｂ，４０ｄ，４０ｆのそれぞれの電極取り出し部４５ｃ，４５ｃ，４５ｃ同士を電気的に接続するための導電性の金属材料からなる外部正電極５４ｃが配置される。なお、これらの外部電極は、活性層３８及び拘束層７０の側面に金属材料が直接印刷又は塗布されて形成されるが、別途金属板で電極を形成し当接させて接続するようにしてもよいし、またワイヤをハンダ付けして接続する等種々の構成が可能である。
【００４０】
ここで、ダミー電極については、拘束層７０のセラミックス層７１の駆動変形には寄与しないので、駆動電圧を印加する必要がない。しかしながら、ダミー電極を電気的に極性を持たない絶縁状態にしておいても、活性層３８の最上層の内部負電極層４２との間で電位差を発生することがある。この電流は小さいのでセラミックス層７１の駆動変形に寄与するものではないが、電力損失をもたらすので、特に電源に電池を用いた場合に使用時間が短くなるという不利益がある。そこで、拘束層７０においてダミー電極が活性層３８に形成された内部負電極層４２に電気的に接続している。そうすれば、拘束層７０のダミー電極と活性層３８の最上層の内部負電極層４２との間に電位差の発生を防ぐことができるものである。
【００４１】
上記のように構成されたアクチュエータのブロックを１３０℃程度のシリコンオイル等の絶縁オイルが満たされた図示しないオイルバスの中に浸し、その外部負電極５２と外部正電極５４ａ〜５４ｃとの間に２．５ｋｖ／ｍｍ程度の電界を印加し、活性層３８の各圧電セラミックス層４０に分極処理を施す。
【００４２】
また、図２に示すように外部負電極５２ａは、図示しないコードでアースされてグランド電位とされる。また、外部正電極５４ａは、開閉スイッチ６２ａを介し駆動電源の正極に図示しないコードで接続される。同様に、外部正電極５４ｂは、開閉スイッチ６２ｂを介し駆動電源６０の正極に図示しないコードで接続される。そして外部正電極５４ｃは、開閉スイッチ６２ｃを介し駆動電源６０の正極に図示しないコードで接続される。なお、駆動電源６０の負極はアースされている。この各スイッチ６２ａ〜６２ｃが図示しないコントローラによって閉じられることにより、駆動電源６０から所定の圧電活性部４６ａ〜４６ｃに位置する内部負電極層４２と内部正電極層４４間に駆動電圧が印加されるように構成される。
【００４３】
このようにして得られた活性層３８と、拘束層７０が一体になったブロックと、キャビティ３０を図５に示すように組み付けることによりヘッド１５が構成される。
【００４４】
ここで、アクチュエータ３の変形例について説明する。図７は、アクチュエータ３の変形例であるアクチュエータ２０３を示す図である。なお、アクチュエータ３と同一の構成の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。以下の変形例についても同様である。アクチュエータ２０３は、アクチュエータ３と同様、活性層２３８、拘束層２７０から形成される。この活性層２３８は、４層の圧電セラミックス層４０から構成される。また、拘束層２７０は、ダミー負電極７２を有するセラミックス層７１のみが５層積層されて構成され、各ダミー負電極７２は、それぞれがアース電極にアースされている。アクチュエータ３の活性層３８が図１に示すように、６層の圧電セラミックス層４０から構成されるのに対して、アクチュエータ２０３の活性層２３８は４層の圧電セラミックス層４０から構成されることで異なる。また、アクチュエータ３を構成する拘束層７０が図４に示すように、グリーンシート５０とグリーンシート５１を交互に３層積層して焼成されたものであるのに対して、アクチュエータ２０３の拘束層２７０では、グリーンシート５１のみを５層積層し焼成されて図７に示すセラミックス層７１とダミー電極７２とが形成されることで異なる。アクチュエータ２０３に示すように、活性層２３８や拘束層２７０として積層される圧電セラミックス層４０，セラミックス層７１の数は、各種の条件により変更可能である。また、ダミー電極として配設される電極の焼成時の収縮率が、反りを防止する一定範囲内にあれば、拘束層７０をグリーンシート５１のみで構成することも可能である。
【００４５】
次に、アクチュエータ３の別の変形例について説明する。図８は、アクチュエータ３の別の変形例であるアクチュエータ３０３を示す図である。アクチュエータ３０３は、アクチュエータ２０３と同様活性層３３８が４層の圧電セラミックス層４０から構成される。また、拘束層３７０は、ダミー正電極７３ａ，７３ｂ，７３ｃを備えたグリーンシート５０のみが５層積層され焼成されて構成され、それぞれがアース電極にアースされている。前述のアクチュエータ２０３と同様、ダミー正電極の焼成時の収縮率が、反りを防止する一定範囲内にあれば、拘束層３７０をグリーンシート５０のみを用いて構成することも可能である。
【００４６】
アクチュエータ３のさらに別の変形例について説明する。図９は、アクチュエータ３のさらに別の変形例であるアクチュエータ４０３を示す図である。アクチュエータ４０３は、アクチュエータ３と同様に、活性層４３８と拘束層４７０を備えるが、活性層４３８がアクチュエータ２０３，３０３と同じように４層の圧電セラミックス層４０から構成されることがアクチュエータ３と異なる。また、アクチュエータ３を構成する拘束層７０が図４に示すように、グリーンシート５０とグリーンシート５１を交互に３層積層し焼成したものであるのに対して、アクチュエータ４０３の拘束層４７０は、グリーンシート５０と５１を４層積層し、その下部に、電極を備えてないグリーンシート（圧電セラミックス層４７１を構成する）を積層し焼成したことで異なる。つまり、活性層４３８及び拘束層４７０全体で積層方向である上下方向が対称の構成であれば、ダミー電極を備えない圧電セラミックス４７１により拘束層４７０を構成しても、収縮率の差から焼成時に反りを生じることがない。
【００４７】
さらに、図９に示すように圧電セラミックス層４７１の厚さが、他の圧電セラミックス層４０，セラミックス層７１と異なるものであっても、活性層４３８及び拘束層４７０全体で積層方向である上下方向が対称の構成であれば、収縮率の差から焼成時に反りを生じることがない。
【００４８】
以上のように構成された圧電式インクジェットプリンタヘッド１５のアクチュエータ３の動作について図１及び図２を参照して説明する。
【００４９】
所定の印字データに従って、コントローラが任意のスイッチ、例えば開閉スイッチ６２ａを閉じると、圧電活性部４６ａの範囲にある内部負電極層４２と内部正電極層４４ａとの間に電圧が印加され、それらの範囲に位置する圧電セラミックス層４０に電界が生じ、電歪効果により圧電活性部４６ａにある内部正電極層４４ａの周囲が、図１の上下方向に伸長しようとする力が生じる。このとき、拘束層７０のセラミックス層７１ａ，７１ｂ，７１ｃには電界が生じないので、伸縮することがない。そのため、活性層３８において上下方向に伸長しようとする力は、主に下方に向かって活性層３８を変形させる。そして、図２の矢印に示すように活性層３８がインクチャンネル３２ａの容積を減少させる。そして、インクチャンネル３２ａ内のインクはオリフィス３７ａから液滴３９となって噴射される。つまり、本実施の形態のアクチュエータ３は、インクジェットプリンタ１の圧電式インクジェットプリンタヘッド１５の圧電アクチュエータとして機能するものである。なお、開閉スイッチ６２ａが開いて電圧の印加が遮断され圧電活性部４６ａが元の位置まで戻されると、その時インクチャンネル３２ａの容積増加に伴って図示しない弁を経て図６に示すインク供給装置１６からインクが補充される。
【００５０】
この活性層３８の内部正電極層４４ａ近傍における変形は、もし拘束層７０がなかったとしたら、活性層３８の上下を等しく変形させる。一方、本実施の形態のアクチュエータ３のように拘束層７０が設けられている場合は、この高い剛性をもった拘束層７０が活性層３８と一体に焼成されており、且つ開閉スイッチ６２ａを閉じた場合でも電界が生じないため変形しないので、活性層３８において生じた変形は、主に拘束層７０の反対側である活性層３８の下部側、つまりインクチャンネル３２ａ側を変形させる。従って、内部正電極層４４ａの近傍において生じた変形量が同じであれば、拘束層７０を有さない構造に比較して、拘束層７０を備えたアクチュエータ３の方がインクチャンネル３２ａ側の変形を大きくすることができる。そのため、インクチャンネル３２ａの容量をより減少させてインクの噴射量を多くすることができる。つまり、同じ電圧を印加しても、拘束層７０を備えたことで、インクの噴射量を多くできる。言い換えれば、所定量のインクを噴射させたい場合、印加する電圧を小さくできるので小電力化を図ることができる。
【００５１】
ここで、図３は、アクチュエータ３の拘束層７０の構成枚数を変化させた時の駆動すべきインクチャンネル３２である駆動チャンネル（グラフにおいて駆動Ｃｈと表記する。）と、この駆動チャンネルに隣接するインクチャンネル３２である隣接チャンネル（グラフにおいて隣接Ｃｈと表記する。）の各インクチャンネルにおける断面積変化を示す図である。ここで断面積変化とは、活性層３８が、インクチャンネル３２に突出して、インクチャンネル３２の断面積が減少又は増加する量を示したものである。このときの駆動電圧は２６Ｖである。まず、結果を示すと、拘束層数が０即ち拘束層７０が無しの場合は駆動Ｃｈが３．９１０（×１０−６ｍｍ２）で、隣接チャンネルが０．９００（×１０−６ｍｍ２）であった。以下同様に駆動チャンネル／隣接チャンネルの順で拘束層数による断面積変化を単位を省略していうと、１枚の場合は、３．５８８／０．５１２、２枚の場合は、３．６０３／０．３９１、３枚の場合は、３．６９３／０．３９４、４枚の場合は３．７８４／０．４４１、５枚の場合は、３．８５９／０．４９６、６枚の場合は、３．９１６／０．５４４であった。
【００５２】
この結果を図３に示すグラフで見ると、拘束層７０がない場合は、３．９１０（×１０−６ｍｍ２）と駆動チャンネルの断面積の減少が大きいといえるが、隣接チャンネルの断面積変化が０．９００（×１０−６ｍｍ２）と大きいため、いわゆるクロストークが発生してＳ／Ｎ比が悪化し印字品質が低下するおそれがあり、好ましくない。これは、活性層３８自体の剛性が低いため駆動チャンネルの断面積の減少も大きいが、駆動チャンネルの活性層３８自体が横方向にも変形するため、活性層３８自体の平面性も損なわれ、隣接チャンネル側の活性層３８が上方に変形し且つ隣接チャンネルとの間の壁面が駆動チャンネル側に変形することにより、隣接チャンネルの断面積が増加するためである。
【００５３】
拘束層数が１枚の場合は、駆動チャンネルの活性層３８の変形が拘束され駆動チャンネルの断面積変化は３．５８８（×１０−６ｍｍ２）と一旦減少し、これに対して隣接チャンネルの断面積変化も０．５１２（×１０−６ｍｍ２）と減少する。しかしアクチュエータ３としての剛性が低いため、まだ隣接チャンネルの変形が大きく、Ｓ／Ｎ比はまだ比較的大きい。そして、拘束層数が２になると、拘束層７０の剛性も高まるため拘束層７０側の変形が小さくなって、アクチュエータ３としての剛性が高まり、隣接チャンネルの変形が０．３９１（×１０−６ｍｍ２）と最小になるとともに、活性層３８の変形が効率よく伝わり駆動チャンネルの断面積変化は３．６０３（×１０−６ｍｍ２）と上昇する。ここでは、隣接チャンネルの断面積変化が十分小さくなっていることと、駆動チャンネルの断面積変化が大きくなっていることから、Ｓ／Ｎ比が向上して印字品質が向上している。
【００５４】
拘束層数が３枚以上になると、さらに内部正電極層４４近傍の変形が効率よくインクチャンネル３２側に伝わるとともに、隣接チャンネルの断面積変化も大きくならないため、適切なＳ／Ｎ比が維持される。
【００５５】
この結果から、本実施の形態のアクチュエータ３においては、適切なＳ／Ｎ比が得られ、且つ構造が簡単になる拘束層数としては、３が最も適当であるという結論になった。もちろん、活性層３８の枚数や厚さ、材料、駆動電圧、インクチャンネル３２の容量、インクの噴射量等条件が異なれば、最適な拘束層７０の条件も異なってくるのはもちろんであるが、最適な拘束層７０の条件としては、不規則な変形が生じることにより、隣接チャンネルに無用な変形を生じさせない程度の剛性をアクチュエータ３に与えることと、活性層３８の内部正電極層４４近傍の変形を効率的にインクチャンネル３２側に伝えるための剛性を備えることにある。
【００５６】
本実施の形態のアクチュエータ３は、活性層３８の駆動変形を、インクチャンネル３２と反対側に一体に形成され活性層３８を規制する拘束層７０とを備えるため、活性層３８の変形を効率的にインクチャンネル３２の容積変化に用いることができるという効果がある。そのため、インクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インクチャンネル３２の容積変化を抑えクロストークを防止することができるという効果を奏する。さらに、活性層３８と拘束層７０とは一体に焼成されて形成されるので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減って製造工程が簡略化され、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができるという効果もある。
【００５７】
また、アクチュエータ３は、拘束層７０が活性層３８と同じ圧電セラミックス材料から構成されているので、活性層３８を構成するグリーンシート５０，５１をそのまま拘束層７０に流用でき、製造を簡略化し製造コストを低減することができるという効果がある。さらに、同一の材料であれば一体に焼成した場合の馴染みがよく、且つ歪み等が生じにくく、高い精度を実現できるという効果がある。
【００５８】
さらにアクチュエータ３では、拘束層７０に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成されているため、活性層３８と拘束層７０とを一体に焼成する場合に、活性層３８と拘束層７０とを積層した厚み方向における収縮率の差が均一化され、活性層３８と拘束層７０の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができるという効果がある。そのため、キャビティ３０に対しても密着して接着でき高い精度を達成できるという効果を奏する。
【００５９】
特にアクチュエータ３では、電極及びダミー電極が、活性層３８と拘束層７０とにおいて、積層される厚み方向に略対称に構成されているため、活性層３８と拘束層７０とを一体に焼成する場合に、活性層３８と拘束層７０とを積層した厚み方向における収縮率の差が略同一になり、活性層３８と拘束層７０の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止してさらに高い平面性を維持することができるという効果がある。
【００６０】
そして、アクチュエータ３は、拘束層７０に形成されたダミー電極が活性層３８の電極に電気的に接続されているため、誘電体であるセラミックス等を介して活性層３８に設けられた電極とこれに対面するように設けられた拘束層７０のダミー電極との間において、電位差を生じさせることがないという効果がある。従って、電位差の発生に伴う無駄な電力を消費することもないという効果を奏する。
【００６１】
なお、本実施の形態に示すアクチュエータ３の製造方法によれば、インクチャンネル３２と反対側に活性層３８を規制する拘束層７０とを焼成により形成するので、活性層３８の変形を効率的にインクチャンネル３２の容積変化に用いることができ、インクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インクチャンネル３２の容積変化を抑えクロストークを防止することができるという効果がある。特に、活性層３８と拘束層７０とを一体に焼成して形成するので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減るため製造工程を簡略化でき、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができるという効果もある。
【００６２】
次に、アクチュエータ３の変形例を図１０を参照して説明する。図１０は、アクチュエータ３の変形例であるアクチュエータ５０３を示す図である。なお、アクチュエータ３と同一の構成の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。以下の変形例についても同様である。アクチュエータ５０３は、アクチュエータ３と同様、活性層４３８、拘束層５７０、キャビティ３０から形成される。この活性層４３８は、６層の圧電セラミックス層４０から構成される。また、拘束層５７０は、ダミー負電極７２が上面に形成されたセラミックス層７１が２層積層され、その上にダミー負電極７２が形成されていないセラミックス層７１が２層積層されて形成されている。このアクチュエータ５０３は、拘束層５７０の上側２層をダミー負電極７２が形成されていないセラミックス層７１により構成しているので、ダミー負電極７２を設けたことによる圧電アクチュエータの反りを防止することができる。また、内部負電極層４２に隣接して、電極層のないセラミックス層が大きな体積で存在すると、焼成時に内部負電極層４２が拡散してしまうが、拘束層５７０の下側２層には、ダミー負電極７２が上面に形成されたセラミックス層７１を用いているので、焼成時に内部負電極層４２が拡散することを防止できる。
【００６３】
以上、一の実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改良をし変更をすることが可能であることは容易に推察できるものである。
【００６４】
【発明の効果】
上記説明より明らかなように、請求項１に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータによれば、活性層の駆動変形を、活性層のインク室とは反対側に一体に形成され活性層を規制する拘束層とを備えるため、活性層の変形を効率的にインク室の容積変化に用いることができるという効果がある。そのため、インクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インク室の容積変化を抑えクロストークを防止することができるという効果を奏する。さらに、拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、活性層と拘束層とは一体に焼成されて形成され、ダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されるので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減って製造工程が簡略化され、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができるという効果もある。また、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。そのため、キャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できるという効果を奏する。さらに、拘束層に形成されたダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されているため、誘電体であるセラミックス等を介して活性層に設けられた電極とこれに対面するように設けられた拘束層のダミー電極との間において、電位差を生じさせることがない。従って、電位差の発生に伴う無駄な電力を消費することもないという効果を奏する。
【００６５】
また、請求項２に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータによれば、請求項１に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの効果に加え、拘束層が活性層と同じ材料から構成されているので、活性層を構成する部材をそのまま拘束層を構成する部材に流用でき、製造を簡略化し製造コストを低減することができるという効果がある。さらに、同一の材料であれば一体に焼成した場合の馴染みがよく、且つ歪み等が生じにくく、高い精度を実現できるという効果がある。
【００６６】
請求項３に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータによれば、請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの効果に加え、電極及びダミー電極が、活性層と拘束層とにおいて、積層される厚み方向に略対称に構成されているため、活性層及び拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が略同一になり、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができるという効果がある。そのため、キャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できるという効果を奏する。
【００６７】
また、請求項４に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータによれば、請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの効果に加え、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層と当該ダミー電極が形成されていない層とが形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差がバランス良く均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。
【００６８】
請求項５に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータによれば、請求項４に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの効果に加え、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層の上に当該ダミー電極が形成されていない層が積層されて構成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する際に、活性層上の電極パターンが拡散してしまうのをダミー電極によって抑えることができるとともに、収縮率の差がバランス良く均一化され反りを防止して高い平面性を維持することができる。
【００６９】
請求項６に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータでは、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの効果に加え、前記拘束層は、前記ダミー電極が形成された層と前記ダミー電極が形成されていない層とから構成され、前記ダミー電極が形成されていない層は、前記ダミー電極が形成された層と前記活性層との間に挟まれて積層できる。
【００７０】
請求項７に係る発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの製造方法によれば、インク室とは反対側に活性層を規制する拘束層とを焼成により形成するので、活性層の変形を効率的にインク室の容積変化に用いることができ、インクの噴射性能を良好にしつつ消費電力を小さくす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インク室の容積変化を抑えクロストークを防止することができるという効果がある。特に、前記拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、活性層と拘束層とを一体に焼成して形成し、前記ダミー電極が前記活性層の電極に電気的に接続されるので、別途変形拘束部材を接着剤等により貼着する場合に比べて工数が減るため製造工程を簡略化でき、製造コストを低減させることができるとともに、その強度を高めることができるという効果もある。また、拘束層に、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成されているため、活性層と拘束層とを一体に焼成する場合に、活性層と拘束層とを積層した厚み方向における収縮率の差が均一化され、活性層と拘束層の収縮率の差から生じる反りやうねりを防止して高い平面性を維持することができる。そのため、キャビティに対しても密着して接着でき高い精度を達成できる。さらに、拘束層に形成されたダミー電極が活性層の電極に電気的に接続されているため、誘電体であるセラミックス等を介して活性層に設けられた電極とこれに対面するように設けられた拘束層のダミー電極との間において、電位差を生じさせることがない。従って、電位差の発生に伴う無駄な電力を消費することもないという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧電式インクジェットプリンタヘッド１５の要部断面図である。
【図２】 アクチュエータ３の電気的な接続を示す模式図である。
【図３】 アクチュエータ３の拘束層７０の構成枚数を変化させた時の駆動すべきインクチャンネル３２である駆動チャンネルと、この駆動チャンネルに隣接するインクチャンネル３２である隣接チャンネルの各インクチャンネルにおける断面積変化を示す図である。
【図４】 活性層３８及び拘束層７０の構造を示す分解斜視図である。
【図５】 ヘッド１５の要部の構造を示す分解斜視図である。
【図６】 インクジェットプリンタ１の要部を示す図である。
【図７】 アクチュエータ３の変形例であるアクチュエータ２０３を示す図である。
【図８】 アクチュエータ３の別の変形例であるアクチュエータ３０３を示す図である。
【図９】 アクチュエータ３の別の変形例であるアクチュエータ４０３を示す図である。
【図１０】 アクチュエータ３の別の変形例であるアクチュエータ５０３を示す図である。
【図１１】 従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータであるアクチュエータ１０３を示す図である。
【符号の説明】
１ インクジェットプリンタ
３ アクチュエータ
１０ プラテン
１１ 用紙
１２ 軸
１３ フレーム
１４ モータ
１５ 圧電式インクジェットプリンタヘッド
１６ インク供給装置
１８ キャリッジ
２０ａ ガイドロッド
２０ｂ ガイドロッド
２１ 従動プーリ
２２ 駆動プーリ
２３ モータ
２４ タイミングベルト
３０ キャビティ
３２ インクチャンネル
３２ａ インクチャンネル
３２ｂ インクチャンネル
３２ｃ インクチャンネル
３４ チャンネル本体
３６ オリフィスプレート
３７ オリフィス
３７ａ オリフィス
３７ｂ オリフィス
３７ｃ オリフィス
３８ 活性層
３９ 液滴
４０ 圧電セラミックス層
４２ 内部負電極層
４３ 電極取り出し部
４４ 内部正電極層
４４ａ 内部正電極層
４４ｂ 内部正電極層
４４ｃ 内部正電極層
４５ 電極取り出し部
４５ａ 電極取り出し部
４５ｂ 電極取り出し部
４５ｃ 電極取り出し部
４６ 圧電活性部
４６ａ 圧電活性部
４６ｂ 圧電活性部
４６ｃ 圧電活性部
４８ 圧電不活性部
５０ グリーンシート
５１ グリーンシート
５２ 外部負電極
５２ａ 外部負電極
５２ｂ 外部負電極
５４ 外部正電極
５４ａ 外部正電極
５４ｂ 外部正電極
５４ｃ 外部正電極
６０ 駆動電源
６２ 開閉スイッチ
６２ａ 開閉スイッチ
６２ｂ 開閉スイッチ
６２ｃ 開閉スイッチ
７０ 拘束層
７１ セラミックス層
７１ａ セラミックス層
７１ｂ セラミックス層
７１ｃ セラミックス層
７２ ダミー負電極
７３ａ ダミー正電極
７３ｂ ダミー正電極
７３ｃ ダミー正電極
７４ 電極取り出し部
７５ａ 電極取り出し部
７５ｂ 電極取り出し部
７５ｃ 電極取り出し部
８０ 変形拘束部材
９０ａ 噴射装置
９０ｂ 噴射装置
９０ｃ 噴射装置
１０３ アクチュエータ
２０３ アクチュエータ
３０３ アクチュエータ
４０３ アクチュエータ
５０３ アクチュエータ
Claims (7)
- インクを噴射する複数の噴射ノズルを備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドのインク室に面するように配置され、表面に電極パターンが形成された圧電材料からなるシート状の部材が１又は複数枚積層され、伸縮作用により前記インク室内の容積を変化させることが可能な活性層と、
当該活性層の前記インク室と対向する面とは反対の面に配置され、前記活性層と一体に形成可能な材料からなるシート状の部材が１又は複数枚積層され、前記活性層の駆動変形を規制する拘束層とを備え、
前記拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、
前記活性層と前記拘束層とは一体に焼成されて形成され、
前記ダミー電極が前記活性層の電極に電気的に接続されたことを特徴とする圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ。 - 前記拘束層は、前記活性層と同じ材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ。
- 前記電極及び前記ダミー電極は、
前記活性層及び前記拘束層全体において、厚み方向に略対称に構成されたこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ。 - 前記拘束層は、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層と当該ダミー電極が形成されていない層とから構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ。
- 前記拘束層は、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成された層の上に当該ダミー電極が形成されていない層が積層されて構成されたことを特徴とする請求項４に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ。
- 前記拘束層は、前記ダミー電極が形成された層と前記ダミー電極が形成されていない層とから構成され、前記ダミー電極が形成されていない層は、前記ダミー電極が形成された層と前記活性層との間に挟まれて積層されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータ。
- インクを噴射する複数の噴射ノズルを備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドのインク室に面するように配置され、表面に電極パターンが形成されたシート状の焼成可能な圧電材料が１又は複数枚積層され、伸縮作用により前記インク室内の容積を変化させることが可能な活性層と、
当該活性層の前記インク室と対向する面とは反対の面に配置され、前記活性層と一体に焼成可能なシート状の圧電材料が１又は複数枚積層され、前記活性層の駆動変形を規制する拘束層とを備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの製造方法において、
前記拘束層には、駆動変形に寄与しないダミー電極が形成され、
前記活性層と前記拘束層とを焼成して一体に形成し、
前記ダミー電極が前記活性層の電極に電気的に接続されることを特徴とする圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータの製造方法。
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