(57)【要約】【課題】最外層の圧電体層が不活性層であっても圧電素子を良好に変位させることができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子を提供する。【解決手段】圧電素子が、複数層の圧電体層２１とこれらの圧電体層２１の間に交互に配される第１の内部電極２２及び第２の内部電極２３とを有し、最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂのそれぞれが圧電変形しない不活性層となるように構成されており、且つ最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂの少なくとも一方の厚さが最外層以外の圧電体層２１ｃの厚さ以下である構成とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルに連通する圧力発生室と、該圧力発生室の一方面を構成する振動板上に設けられる圧電素子とを具備し、
前記圧電素子は、複数層の圧電体層とこれらの圧電体層の間に交互に配される第１の内部電極及び第２の内部電極とを有し、最外層の圧電体層のそれぞれが圧電変形しない不活性層となるように構成されており、且つ前記最外層の圧電体層の少なくとも一方の厚さが最外層以外の圧電体層の厚さ以下であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記最外層の圧電体層の厚さの合計が、最外層以外の圧電体層の厚さの２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記圧電素子を構成する最外層の前記圧電体層のそれぞれの厚さが他の圧電体層の厚さ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記圧電素子を構成する最外層の前記圧電体層の厚さが５μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
前記圧電素子は前記圧電体層のｄ３１方向の逆圧電効果により変形するものであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項６】
前記圧電素子は前記圧電体層のｄ３３方向の逆圧電効果により変形するものであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置。
【請求項８】
複数層の圧電体層とこれらの圧電体層の間に交互に配される第１の内部電極及び第２の内部電極とを有し、最外層の圧電体層のそれぞれが圧電変形しない不活性層となるように構成され、且つ前記最外層の圧電体層の少なくとも一方の厚さが最外層以外の圧電体層の厚さ以下であることを特徴とする圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置、並びにこれらに用いられる圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を噴射するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板（バネ板材）で構成し、この振動板を圧電素子（アクチュエーター）により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。このようなインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、例えば、共通内部電極及び個別内部電極と圧電体層とを交互に積層することで形成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、このように圧電体層と電極とを交互に積層するタイプの圧電素子の構造については、様々なものが提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３２７４６２号公報
【特許文献２】特許第３４５６３８０号公報
【特許文献３】特許第３２１４０１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような複数の圧電体層が積層された圧電素子に関しては、各特許文献に記載の構成においてもそうであるように、一般的に、最外層の圧電体層の厚さが最外層以外の圧電体層の厚さよりも厚くなっている。最外層の圧電体層が活性層となっている場合、つまり電圧を印加した際に圧電変形が生じるようになっている場合には、最外層の圧電体層の厚さが比較的厚くても圧電素子の変位を妨げることはない。しかしながら、最外層の圧電体層が不活性層となっている場合には、最外層の圧電体層によって圧電素子の変位が阻害されてしまう虞がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、最外層の圧電体層が不活性層であっても圧電素子を良好に変位させることができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明は、ノズルに連通する圧力発生室と、該圧力発生室の一方面を構成する振動板上に設けられる圧電素子とを具備し、前記圧電素子は、複数層の圧電体層とこれらの圧電体層の間に交互に配される第１の内部電極及び第２の内部電極とを有し、最外層の圧電体層のそれぞれが圧電変形しない不活性層となるように構成されており、且つ前記最外層の圧電体層の少なくとも一方の厚さが最外層以外の圧電体層の厚さ以下であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明では、最外層が不活性層となっている構成において圧電素子の変位の低下を抑制することができる。したがってノズルから液滴を良好に噴射させることができる。
【０００８】
ここで、前記最外層の圧電体層の厚さの合計が、最外層以外の圧電体層の厚さの２倍以下であることが好ましい。また前記圧電素子を構成する最外層の前記圧電体層のそれぞれの厚さが他の圧電体層の厚さ以下であることが好ましい。これにより、圧電素子の変位の低下が十分に抑えられる。
【０００９】
さらに前記圧電素子を構成する最外層の前記圧電体層の厚さが５μｍ以上であることが好ましい。これにより、圧電素子の変位の低下が抑制され、且つ内部電極が露出されて、断線や短絡といった不具合の発生が抑えられる。
【００１０】
前記圧電素子は前記圧電体層のｄ３１方向の逆圧電効果により変形するものであってもよいし、前記圧電体層のｄ３３方向の逆圧電効果により変形するものであってもよい。これら何れのタイプの圧電素子であっても、上記の構成とすることで変位の低下が抑制される。
【００１１】
また本発明は、上記のような構成の液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置にある。かかる本発明では、ヘッドから液滴を良好に噴射させることができ、信頼性を向上した液体噴射装置を実現することができる。
【００１２】
さらに本発明は、複数層の圧電体層とこれらの圧電体層の間に交互に配される第１の内部電極及び第２の内部電極とを有し、最外層の圧電体層のそれぞれが圧電変形しない不活性層となるように構成され、且つ前記最外層の圧電体層の少なくとも一方の厚さが最外層以外の圧電体層の厚さ以下であることを特徴とする圧電素子にある。かかる本発明では、最外層が不活性層となっていても、圧電素子の変位の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態に係る記録ヘッドを示す断面図である。
【図２】一実施形態に係る圧電素子を示す平面図及び断面図である。
【図３】一実施形態に係る記録装置を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の液体噴射ヘッドの一例となるインクジェット式記録ヘッドは、複数の圧力発生室１１が設けられた流路形成基板１２と、各圧力発生室１１に連通する複数のノズル１３が穿設されたノズルプレート１４と、流路形成基板１２のノズルプレート１４とは反対側の面に設けられる振動板１５と、振動板１５上の各圧力発生室１１に対応する領域に設けられる圧力発生手段としての圧電素子１６とを有する。
【００１５】
流路形成基板１２には、各圧力発生室１１が隔壁１７によって区画されてその幅方向に複数並設されている。例えば、本実施形態では、複数の圧力発生室１１が並設された列が流路形成基板１２に２列設けられている。
【００１６】
各圧力発生室１１の列の外側には、各圧力発生室１１にインクを供給するためのリザーバー１８が、流路形成基板１２を厚さ方向に貫通して設けられている。そして、各圧力発生室１１とリザーバー１８とは、インク供給路１９を介して連通している。インク供給路１９は、本実施形態では、圧力発生室１１よりも狭い幅で形成されており、リザーバー１８から圧力発生室１１に流入するインクの流路抵抗を一定に保持する役割を果たしている。
【００１７】
また圧力発生室１１は、本実施形態では、流路形成基板１２を貫通することなく形成されており、圧力発生室１１のリザーバー１８とは反対の端部側には、流路形成基板１２を貫通してノズル１３に連通するノズル連通路２０が形成されている。
【００１８】
流路形成基板１２の一方面側にはノズルプレート１４が接合されている。そして上述のように各ノズル１３が流路形成基板１２に設けられたノズル連通路２０を介して各圧力発生室１１と連通している。また、流路形成基板１２の他方面側、すなわち圧力発生室１１の開口面側には振動板１５が接合され、各圧力発生室１１はこの振動板１５によって封止されている。そしてこの振動板１５上には、圧力発生室１１内にインク滴を噴射するための圧力を発生する圧力発生手段である圧電素子１６が設けられている。圧電素子１６は、活性領域の先端部が振動板１５上に当接した状態で固定されている。
【００１９】
圧電素子１６は、圧電体層２１と個別内部電極２２及び共通内部電極２３とが交互に積層され、圧電変形に寄与しない不活性領域が固定基板２４に固着されている。また圧電素子１６の不活性領域には、駆動ＩＣ２５が搭載された駆動配線２６が接続されている。なお、このような圧電素子１６の構造については、詳しく後述する。
【００２０】
振動板１５上には、圧電素子１６が固定基板２４に固定された状態で収容される収容部２７を有するヘッドケース２８が固定されている。圧電素子１６の先端が当接する振動板１５は、例えば、樹脂フィルム等の弾性部材からなる弾性膜２９と、この弾性膜２９を支持する、例えば、金属材料等からなる支持板３０との複合板で形成されており、弾性膜２９側が流路形成基板１２に接合されている。また振動板１５の各圧力発生室１１に対向する領域内には、圧電素子１６の活性領域の先端部が当接する島部３１が設けられている。すなわち振動板１５の各圧力発生室１１の周縁部に対向する領域に他の領域よりも厚さの薄い薄肉部３２が形成されて、この薄肉部３２の内側にそれぞれ島部３１が設けられている。
【００２１】
なお振動板１５のリザーバー１８に対向する領域には、薄肉部３２と同様に、支持板３０が除去されて実質的に弾性膜２９のみで構成されるコンプライアンス部３３が設けられている。ヘッドケース２８のコンプライアンス部３３に対向する部分には、コンプライアンス部３３の変形を許容する空間である空間部３４が形成されている。
【００２２】
このようなインクジェット式記録ヘッドでは、インク滴を噴射する際に、圧電素子１６及び振動板１５の変形によって各圧力発生室１１の容積を変化させて所定のノズル１３からインク滴を噴射させるようになっている。具体的には、図示しないインクカートリッジからリザーバー１８にインクが供給されると、インク供給路１９を介して各圧力発生室１１にインクが分配される。実際には、圧電素子１６に電圧を印加することにより圧電素子１６を収縮させる。これにより、振動板１５が圧電素子１６と共に変形されて圧力発生室１１の容積が広げられ、圧力発生室１１内にインクが引き込まれる。そして、ノズル１３に至るまで内部にインクを満たした後、駆動ＩＣ２５からの記録信号に従い、圧電素子１６の個別内部電極２２及び共通内部電極２３に印加していた電圧を解除する。これにより、圧電素子１６が伸張されて元の状態に戻ると共に振動板１５も変位して元の状態に戻る。結果として圧力発生室１１の容積が収縮して圧力発生室１１内の圧力が高まりノズル１３からインク滴が噴射される。
【００２３】
以下、圧電素子１６の構造について詳しく説明する。本実施形態に係る圧電素子１６は、圧電体層２１のｄ３１方向の逆圧電効果により変形するものであり、図２に示すように、複数層の圧電体層２１と、各圧電体層２１間に交互に配された第１の内部電極である個別内部電極２２及び第２の内部電極である共通内部電極２３とで構成される圧電素子形成部材３５に複数一体的に形成されている。すなわち圧電素子形成部材３５には、例えば、ワイヤソー等によって複数のスリット３６が形成されることでその先端部側が櫛歯状に切り分けられて、複数の圧電素子１６が形成されている。なお圧電素子１６の列３７の両外側には、圧電素子１６よりも広い幅を有する位置決め部３８が設けられている。この位置決め部３８は、各圧電素子１６をヘッドケース２８の収容部２７に対して高精度に位置決めするために設けられている。
【００２４】
各圧電素子１６の個別内部電極２２は、圧電素子形成部材３５の一方の端面（圧電素子１６の活性領域の先端部側の端面）３５ａで露出するように設けられている。そして本実施形態では、個別内部電極２２は圧電素子形成部材３５の端面３５ａから圧電素子形成部材３５の中央部まで不活領域側に向けて延設されている。一方、共通内部電極２３は、圧電素子形成部材３５の他方側の端面（圧電素子１６の基端部側の端面）３５ｂで露出するように設けられている。この共通内部電極２３は、圧電素子形成部材３５の略全面に亘って設けられているが、圧電素子形成部材３５の端面３５ａでは露出されないように形成されている。そして、これら個別内部電極２２と共通内部電極２３とが重なっている部分が電圧を印加した際に実際に圧電変形が生じる活性領域となり、それ以外の部分が、圧電変形が生じない、又は、活性領域の変位に伴い吐出に寄与しない程度に圧電変形する不活性領域となっている。
【００２５】
また、本実施形態では、個別内部電極２２と同一平面に、個別内部電極２２とは独立する第３の内部電極である補助内部電極３９が設けられている。この補助内部電極３９は、後述するように共通外部電極４１を介して共通内部電極２３に接続されており、共通内部電極２３の抵抗値を低減させる役割を果たす。共通内部電極２３の抵抗値が高いと、電圧降下に起因して各圧電素子１６の変位量にバラツキが生じる虞がある。圧電素子１６が高密度に形成されている場合には、特にバラツキが生じやすい。しかしながら、補助内部電極３９が共通内部電極２３に接続されていることで、共通内部電極２３の抵抗値が実質的に低下するため、このような圧電素子１６の変位量のバラツキが抑えられる。
【００２６】
さらにこの補助内部電極３９が設けられていることで、圧電素子１６を製造する際の変形（反り）も抑えられる。すなわち、活性領域と不活性領域とで電極の層数が異なると、圧電素子１６（圧電素子形成部材３５）を製造する際に、熱による変形（反り）が生じる虞があるが、補助内部電極３９が設けられていることで、このような変形を抑制することができる。このような効果を得るためには、圧電素子１６の個別外部電極４０と共通外部電極４１とが形成されている面を平面視した方向において、共通内部電極２３が形成されている領域のそれぞれが同じ大きさとなるように、また補助内部電極３９が形成されている領域のそれぞれが同じ大きさとなるように形成されていることが望ましい。ここで「同じ」と記載してあるが、電極の製造過程におけるバラツキは同じ範囲に含まれる。
【００２７】
圧電素子形成部材３５の表面には、個別内部電極２２に接続される個別外部電極４０と、共通内部電極２３及び補助内部電極３９に接続される共通外部電極４１とが電気的に独立した状態で形成されている。本実施形態では、個別外部電極４０は、圧電素子形成部材３５の端面３５ａ（活性領域の先端部）から圧電素子１６の個別外部電極４０と共通外部電極４１とが形成されている面の補助内部電極３９に対向する領域（不活性領域）の一部まで連続的に設けられている。また個別外部電極４０は、圧電素子形成部材３５の端面３５ａで各個別内部電極２２と接続されている。一方、共通外部電極４１は、圧電素子形成部材３５の上記端面３５ａとは反対側の面となる端面３５ｂから圧電素子１６の個別外部電極４０と共通外部電極４１とが形成されている補助内部電極３９に対向する領域の一部まで連続的に設けられている。また共通外部電極４１は圧電素子形成部材３５の端面３５ｂで共通内部電極２３及び補助内部電極３９に接続されている。
【００２８】
ここで、圧電素子１６を構成する複数の圧電体層２１のうち最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂ、つまり積層方向両端部の圧電体層２１ａ，２１ｂは、圧電素子１６に電圧を印加した際に圧電変形しない、又は、活性層の圧電変形に伴って若干変形する不活性層となっている。個別内部電極２２及び補助内部電極３９と共通内部電極２３とは、圧電素子形成部材３５の個別外部電極４０が形成された面側から個別内部電極２２及び補助内部電極３９、共通内部電極２３の順で交互に配されている。したがって、圧電素子１６の個別外部電極４０と共通外部電極４１とが形成されている面側の最外層の圧電体層２１ａは、活性領域であっても同じ極である個別内部電極２２と個別外部電極４０とによって挟まれて、圧電変形が生じない不活性層となっている。一方、固定基板２４側の最外層の圧電体層２１ｂの表面には、外部電極が形成されていないことで不活性層となっている。
【００２９】
そして、このような不活性層である最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂのうち、少なくとも一方の厚さは、最外層以外の圧電体層（以下、「内層の圧電体層」という）２１ｃの厚さ以下となっている。好ましくは、最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂの厚さの合計が、内層の圧電体層２１ｃの２倍以下であり、特に、最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂのそれぞれが、内層の圧電体層２１ｃの厚さ以下となっていることが好ましい。本実施形態では、図示するように、最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂのそれぞれの厚さｔ１，ｔ２が、内層の圧電体層２１ｃの厚さｔ３よりも薄くなるようにしている。
【００３０】
なお本実施形態では、内層の各圧電体層２１ｃは略同一の厚さで形成されているが、これら内層の圧電体層２１ｃの厚さは必ずしも同一である必要はない。内層の各圧電体層２１ｃの厚さが異なる場合には、最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂは、内層の圧電体層２１ｃの最大厚以下となっていればよいが、最小厚以下であることが好ましい。
【００３１】
このように、積層型の圧電素子１６を構成する最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂが不活性層となっている場合に、この最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂの厚さを内層の圧電体層２１ｃの厚さ以下とすることで、この最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂによる圧電素子１６の変位の低下を抑えることができる。したがって、各圧電素子１６を十分に変位させてインク滴を良好に噴射させることができる。
【００３２】
なお最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂの厚さは、圧電素子１６の変位低下という観点からはできるだけ薄くすることが好ましいが、あまり薄くし過ぎると、内部電極（個別内部電極２２及び共通内部電極２３）が露出して、断線やショートといった不具合が生じる虞がある。このため、最外層の圧電体層２１ａ，２１ｂはこのような問題が生じない程度の厚さで形成することが好ましく、具体的には、５μｍ以上の厚さで形成することが望ましい。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、圧電素子形成部材に複数の圧電素子が一体的に形成された構成を例示したが、勿論、圧電素子はそれぞれ独立したものであってもよい。また上述の実施形態では、圧電体層間に補助内部電極が設けられた構成を例示したが、補助内部電極は設けられていなくてもよい。
【００３４】
また例えば、上述の実施形態では、圧電素子の表面に外部電極（個別外部電極及び共通外部電極）を設けて、圧電素子（圧電素子形成部材）の端面で内部電極（個別内部電極及び共通内部電極）に接続するようにしたが、外部電極の構造は特に限定されるものではない。例えば、圧電素子を厚さ方向に貫通する貫通孔を設け、この貫通孔内に外部電極を形成して内部電極と接続するようにしてもよい。
【００３５】
また例えば、上述の実施形態では、圧電素子として圧電体層のｄ３１方向の逆圧電効果により変形するものを例示したが、複数層の圧電体層とこれらの圧電体層の間に交互に配される第１の内部電極及び第２の内部電極とを有する積層型の圧電素子であれば本発明を適用することができる。例えば、圧電体層のｄ３３方向の逆圧電効果により変形するものであってもよく、このようなタイプの圧電素子であっても変位の低下を抑制することができる。
【００３６】
また本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。具体的には、図３に示すように、インクジェット式記録装置における記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を噴射するものとしている。
【００３７】
そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００３８】
なお上述の実施形態では、液体噴射ヘッドとしてインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドを例示したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。
【００３９】
また本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子に限られず、他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１２  流路形成基板、  １４  ノズルプレート、  １５  振動板、  １６  圧電素子、  ２１  圧電体層、  ２２  個別内部電極、  ２３  共通内部電極、  ２４  固定基板、  ２８  ヘッドケース、  ２９  弾性膜、  ３０  支持板、  ３５  圧電素子形成部材、  ３９  補助内部電極、  ４０  個別外部電極、  ４１  共通外部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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