(57)【要約】【課題】圧電アクチュエータの初期の変位量を十分に確保しながら、前記変位量が、経時的に大きく低下するのを防止して、長期間に亘って十分な変位量を維持できる圧電アクチュエータユニットを提供する。【解決手段】Ｘ線回折スペクトルのうち[２００]面の回折ピークの強度Ｉ(200)と、[００２]面の回折ピークの強度Ｉ(002)とから、式(1)：  ＩC＝Ｉ(002)／（Ｉ(002)＋Ｉ(200)）      (1)によって求められるＣ軸配向度ＩCの初期値が０．５〜０．７であるＰＺＴ系の圧電セラミックからなる圧電セラミック層７を含む圧電アクチュエータ６と、前記圧電セラミック層７を形成する圧電セラミックの、電圧印加状態での分極量の、１回の動作中での変化率を＋３〜＋８％に維持することができる駆動電圧波形を有する電圧を、圧電セラミック層７に印加できる駆動回路１３とを組み合わせた。【選択図】図１
2007273853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み方向に分極され、前記厚みに電圧が印加されることで、前記厚み方向と直交する面方向に伸縮する横振動モードの圧電セラミック層を含み、前記圧電セラミック層の、面方向の伸縮によって、厚み方向に撓み変形する平板状の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの圧電セラミック層に、所定の駆動電圧波形を有する電圧を印加して面方向に伸縮させることで、圧電アクチュエータを厚み方向に振動させる動作をさせるための駆動回路とを備えた圧電アクチュエータユニットであって、前記圧電セラミック層が、Ｘ線回折スペクトルのうち[２００]面の回折ピークの強度Ｉ(200)と、[００２]面の回折ピークの強度Ｉ(002)とから、式(1)：
ＩC＝Ｉ(002)／（Ｉ(002)＋Ｉ(200)）      (1)
によって求められるＣ軸配向度ＩCの、電圧を印加しない初期の状態で測定した初期値が０．５〜０．７であるＰＺＴ系の圧電セラミックによって形成されていると共に、駆動回路が、圧電セラミック層を形成する圧電セラミックの、電圧印加状態での分極量の、１回の動作中での変化率を＋３〜＋８％に維持することができる駆動電圧波形を有する電圧を印加して、圧電アクチュエータを厚み方向に振動させる動作をさせる回路であることを特徴とする圧電アクチュエータユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミック層を含む圧電アクチュエータと、前記圧電セラミック層に電圧を印加するための駆動回路とを備えた圧電アクチュエータユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタのヘッド等の駆動源として、圧電セラミックの電歪特性を利用した圧電アクチュエータが用いられる。また、圧電アクチュエータとしては、厚み方向に電圧が印加された際に、前記厚み方向と直交する面方向に伸縮する、横振動モードの圧電セラミック層を含む平板状のものが知られている。
【０００３】
平板状の圧電アクチュエータは、通常、ＰＺＴ系等の圧電セラミックの多結晶体からなる圧電セラミック層の両面に、前記圧電セラミック層の厚み方向に電圧を印加して面方向に伸縮させるための、一対の電極層を積層すると共に、一方の電極層の外側面に、圧電セラミック層の面方向の伸縮を、その片面側で規制することで、圧電アクチュエータを厚み方向に撓み変形させるための振動板を積層するか、または、振動板を、導電性のよい材料で形成して、一方の電極層と兼用させることで構成される。
【０００４】
前記構造を有する圧電アクチュエータは、圧電セラミック層を厚み方向に分極させた状態で使用され、前記圧電セラミック層に、一対の電極層を介して、前記分極方向と同方向（「順方向」とする）の電圧を印加すると、圧電セラミック層が、面方向に収縮する。しかし、圧電セラミック層の片面側には、先に説明したように、振動板が固定されて、面方向の伸縮が規制されていることから、圧電アクチュエータは、前記振動板を積層した面を厚み方向に突出させるように撓み変形する。
【０００５】
一方、圧電セラミック層に、一対の電極層を介して、分極方向と逆方向の電圧を印加すると、前記圧電セラミック層が、面方向に伸長することから、圧電アクチュエータは、逆に、振動板を積層した面と反対面を、厚み方向に突出させるように撓み変形する。さらに、電圧の印加を停止すると、圧電セラミック層の、面方向の伸縮が解除されることから、圧電アクチュエータは、撓み変形が解除された、元の平板状の状態に復帰する。
【０００６】
例えば、インクジェットプリンタのヘッドにおいては、圧電セラミック層に、順方向の電圧の印加と停止とを繰り返す駆動電圧波形や、順方向と逆方向の電圧を交互に印加する駆動電圧波形等を有する電圧を印加して、圧電アクチュエータを、厚み方向に振動させることで、インクを振動させて、ヘッドに設けたノズルから、前記インクを、微小なインク滴として吐出させている。ノズルから吐出されたインク滴は、ノズルと対向させて配設した紙面まで飛翔し、紙面に到達して、前記紙面にドットを形成する。
【０００７】
ところが、従来の圧電アクチュエータは、先に説明した電圧を、圧電セラミック層に印加して動作させる操作を繰り返すことで、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に、大きく低下し、それに伴って、インクジェットプリンタの場合は、ノズルから吐出されるインク滴の体積や飛翔速度が低下するため、紙面に形成される画像の画質が低下するという問題がある。
【０００８】
ＰＺＴ系の圧電セラミックからなる圧電セラミック層に、順方向の電圧を印加すると、前記圧電セラミックを構成する結晶粒のうち、結晶のＣ軸が分極方向に配向された１８０°分域成分の結晶格子が、前記順方向に伸びるように変形する線形変位を生じると共に、結晶のＣ軸が分極方向から９０°倒れこんだ状態にある９０°分域回転成分の格子軸が、分極方向に回転するように回転変位する非線形変位を生じて、圧電セラミック層が、厚み方向に伸びながら、面方向に収縮するように変形する。
【０００９】
線形変位と回転変位とは、同時に進行するのではなく、順方向の電圧を印加した初期の段階では、応答性のよい線形変位、つまり１８０°分域成分の、結晶格子の厚み方向への伸びが、主として発生し、電圧を印加し続けると、非線形変位、すなわち、９０°分域成分の、格子軸の回転変位が徐々に進行して、最終的に、圧電セラミック層が、印加した電圧値に見合う変位量まで変形する。
【００１０】
また、電圧の印加を停止すると、両変位が解除されて、圧電セラミック層は、元の形状に戻るはずであるが、実際の動作では、９０°分域成分の一部が、回転変位状態で配向したまま、元に戻らずに残ることがあり、その残存量が、圧電アクチュエータの動作を繰り返すことで、徐々に増加してゆく傾向がある。つまり、９０°分域成分の割合が、徐々に減少してゆくことになる。
【００１１】
線形変位と非線形変位の変位量を比較すると、結晶格子の伸びによる線形変位の変位量よりも、格子軸の回転変位による、非線形変位の変位量の方が大きいため、先に説明したように、９０°分域成分の割合が減少するほど、電圧を印加した際の、圧電セラミック層の、面方向の収縮量が小さくなって、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に低下する。
【００１２】
そのため、圧電セラミック層を形成する圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の割合を、あらかじめ、小さくできれば、圧電アクチュエータの変位量の、経時的な低下の度合いを、小さくすることができると考えられる。また、圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の割合を小さくするためには、例えば、特許文献１に記載されているように、圧縮応力を加えることで、圧電セラミックを、分極方向と直交する方向、つまり、横振動モードの圧電セラミック層の場合は面方向に、強制的に収縮させた後、分極させる方法等が考えられる。
【００１３】
しかし、先に説明したように、結晶格子の伸びによる線形変位の変位量よりも、格子軸の回転変位による非線形変位の変位量の方が大きいため、圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の割合を小さくしすぎた場合には、圧電セラミック層の、初期の収縮量が小さくなって、圧電アクチュエータの、初期の変位量が不十分になるという、新たな問題を生じる。
【特許文献１】特開２００５−１２３５５４号公報（請求項１〜３、段落[００２１]〜[００２５]、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、圧電アクチュエータの、厚み方向の撓み変形の、初期の変位量を十分に確保しながら、前記変位量が、経時的に、大きく低下するのを防止して、長期間に亘って、十分な変位量を維持することができる圧電アクチュエータユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１記載の発明は、厚み方向に分極され、前記厚みに電圧が印加されることで、前記厚み方向と直交する面方向に伸縮する横振動モードの圧電セラミック層を含み、前記圧電セラミック層の、面方向の伸縮によって、厚み方向に撓み変形する平板状の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの圧電セラミック層に、所定の駆動電圧波形を有する電圧を印加して面方向に伸縮させることで、圧電アクチュエータを厚み方向に振動させる動作をさせるための駆動回路とを備えた圧電アクチュエータユニットであって、前記圧電セラミック層が、Ｘ線回折スペクトルのうち[２００]面の回折ピークの強度Ｉ(200)と、[００２]面の回折ピークの強度Ｉ(002)とから、式(1)：
ＩC＝Ｉ(002)／（Ｉ(002)＋Ｉ(200)）      (1)
によって求められるＣ軸配向度ＩCの、電圧を印加しない初期の状態で測定した初期値が０．５〜０．７であるＰＺＴ系の圧電セラミックによって形成されていると共に、駆動回路が、圧電セラミック層を形成する圧電セラミックの、電圧印加状態での分極量の、１回の動作中での変化率を＋３〜＋８％に維持することができる駆動電圧波形を有する電圧を印加して、圧電アクチュエータを厚み方向に振動させる動作をさせる回路であることを特徴とする圧電アクチュエータユニットである。
【００１６】
請求項１記載の発明によれば、圧電セラミック層を形成するＰＺＴ系の圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の、前記圧電セラミック層に電圧を印加しない初期の状態での割合を、式(1)で表されるＣ軸配向度ＩCの初期値で表して０．７以下に限定しているため、圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の割合が小さすぎて、圧電セラミック層の、初期の収縮量が小さくなって、圧電アクチュエータの、初期の撓み変形の変位量が不十分になるのを防止することができる。
【００１７】
また、前記Ｃ軸配向度ＩCの初期値を０．５以上に限定して、圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の割合を、あらかじめ、小さくすると共に、駆動回路から、圧電セラミック層に、前記圧電セラミック層を形成する圧電セラミックの、電圧印加状態での分極量の、１回の動作中での変化率を＋３〜＋８％に維持することができる駆動電圧波形を有する電圧を印加して、前記圧電アクチュエータを動作させているため、圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の割合が大きく減少して、圧電セラミック層の、面方向の収縮量が大きく低下するのを抑制することができる。そのため、圧電アクチュエータの撓み変形の変位量が、経時的に、大きく低下するのを防止して、長期間に亘って、十分な変位量を維持することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、圧電アクチュエータの、撓み変形の初期の変位量を十分に確保しながら、前記変位量が、経時的に、大きく低下するのを防止して、長期間に亘って、十分な変位量を維持することができる圧電アクチュエータユニットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の圧電アクチュエータユニット１の一例を、インクジェットプリンタのヘッドに、駆動源として組み込んだ例を示す断面図である。図１を参照して、この例のヘッドは、図において上面に、インクが充てんされる圧力室２が、面方向に複数個、配列させて形成され、下面に、各圧力室２に対応させて、インク滴を吐出させるためのノズル３が、複数個、形成されていると共に、各圧力室２とノズル３とが、それぞれ、個別に、インクが充てんされる連通路４によって繋がれた基板５と、前記基板５の、圧力室２を形成した上面に積層された、圧電アクチュエータユニット１を構成する圧電アクチュエータ６とを備えている。
【００２０】
圧電アクチュエータ６は、複数の圧力室２を覆う大きさを有する薄板状に形成された圧電セラミック層７と、前記圧電セラミック層７の、図において上面に、圧力室２ごとに個別に形成された個別電極層８と、圧電セラミック層７の下面に、順に積層された、共に、複数の圧力室２を覆う大きさを有する、共通電極層９と振動板１０とを備えた、いわゆるユニモルフ型の構成を有している。
【００２１】
前記ユニモルフ型の圧電アクチュエータ６は、個々の圧力室２に対応して配設され、個別電極層８から、個別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に撓み変形する複数の圧電変形領域１１と、前記圧電変形領域１１を囲んで配設され、基板５に固定されることで変形が防止された拘束領域１２とに区画されている。また、各個別電極層８と、共通電極層９とは、それぞれ個別に、圧電アクチュエータユニット１を構成する駆動回路１３に接続されており、駆動回路１３は、インクジェットプリンタの制御ユニット１４に接続されている。
【００２２】
圧電セラミック層７は、先に説明したように、Ｘ線回折スペクトルのうち[２００]面の回折ピークの強度Ｉ(200)と、[００２]面の回折ピークの強度Ｉ(002)とから、式(1)：
ＩC＝Ｉ(002)／（Ｉ(002)＋Ｉ(200)）      (1)
によって求められるＣ軸配向度ＩCの、電圧を印加しない初期の状態で測定した初期値が０．５〜０．７、特に０．５５〜０．６５である、ＰＺＴ系の圧電セラミックによって形成される。
【００２３】
ＰＺＴ系の圧電セラミックとしては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、前記ＰＺＴに、ランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物の１種または２種以上を添加したＰＬＺＴ等が挙げられる。圧電セラミック層７は、前記ＰＺＴ系の圧電セラミックとなる化合物を含むグリーンシートを、所定の平面形状に形成後、焼成して形成することができる。
【００２４】
圧電セラミックのＣ軸配向度ＩCの初期値が、前記範囲に限定されるのは、前記範囲を超える場合には、圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の割合が小さすぎて、圧電セラミック層７の、両電極層８、９の間に挟まれた領域（「活性領域」とする）１５の、初期の収縮量が小さくなって、圧電アクチュエータ６の、前記活性領域１５に対応する圧電変形領域１１の、厚み方向の撓み変形の、初期の変位量が不十分になるためである。
【００２５】
また、前記範囲未満では、圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の割合が大きすぎて、たとえ、駆動回路１３から、圧電セラミック層７の活性領域１５に、前記活性領域１５を形成する圧電セラミックの、電圧印加状態での分極量の、１回の動作中での変化率を＋３〜＋８％に維持することができる駆動電圧波形を有する電圧を印加したとしても、前記電圧を印加して圧電アクチュエータ６の圧電変形領域１１を厚み方向に振動させる動作を繰り返した際に、前記活性領域１５における、９０°分域成分の割合が減少する率が多くなって、前記圧電変形領域１１の変位量が、経時的に、大きく低下するためである。
【００２６】
圧電セラミックのＣ軸配向度ＩCの初期値を、前記範囲内に調整するためには、例えば、特許文献１に記載された、圧縮応力を加えることで、圧電セラミックを、強制的に収縮させる方法を採用してもよいが、圧電セラミック層７と積層される共通電極層９や振動板１０、あるいは基板５を、前記圧電セラミック層７を形成する圧電セラミックよりも熱膨張係数が大きく、かつ、前記熱膨張係数の差が、所定の範囲となる金属やセラミック等を選択して形成すると共に、圧電アクチュエータ６やヘッドを製造する際に、圧電セラミック層７を、前記共通電極層９、振動板１０、基板５と積層した状態で熱処理するのが好ましい。
【００２７】
前記方法によれば、熱処理工程での冷却時の圧電セラミック層７に、前記圧電セラミック層７よりも大きく収縮する共通電極層９や振動板１０、基板５から、熱膨張係数の差に基づいて、所定の圧縮応力を付与して、前記圧電セラミック層７を面方向に収縮させて、圧電セラミックのＣ軸配向度ＩCの初期値を、前記範囲に調整することができる。
【００２８】
そのため、前記ヘッドを、駆動回路１３から、先に説明した所定の駆動電圧波形を有する電圧を印加して動作させることと相まって、圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の割合が減少して、圧電セラミック層７の活性領域１５の、面方向の収縮量が低下するのを、より一層、良好に抑制して、圧電アクチュエータ６の圧電変形領域１１の、撓み変形の変位量を、さらに長期間に亘って、十分な変位量に維持し続けることが可能となる。
【００２９】
なお、圧電セラミックのＣ軸配向度ＩCは、本発明では、圧電セラミック層７の表面に、直径１００μｍの円形Ｘ線ビームをスポット照射して、ブラッグ角２θ＝４３〜４６°の間のＸ線回折スペクトルを測定して得た、[２００]面の回折ピーク強度と、[００２]面の回折ピーク強度とから、式(1)によって求めた結果で表すこととする。圧電セラミック層７には、先に説明した高温分極法等によって、厚み方向への分極処理を行うことで、横振動モードの圧電変形特性が付与される。
【００３０】
基板５は、例えば、圧力室２、連通路４、およびノズル３となる通孔が形成された複数枚の板材を、順に、位置合わせしながら積層し、一体化させて形成することができる。各板材としては、それぞれ、金属やセラミック、樹脂等によって、厚みが一定な平板状に形成されていると共に、例えば、フォトリソグラフ法を利用したエッチング等によって、前記各部となる、所定の平面形状を有する通孔が、所定の位置に形成されたものを用いることができる。
【００３１】
板材を金属で形成する場合、前記金属としては、Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ系合金等が挙げられ、特に、インク等の液体に対する耐食性や加工性、さらには、ＰＺＴ系の圧電セラミックからなる圧電セラミック層７を含む圧電アクチュエータ６との、熱膨張係数の差を、圧電セラミック層７に適度な圧縮応力を付与しうる範囲に調整すること等を考慮すると、Ｆｅ−Ｃｒ系合金が好ましい。
【００３２】
振動板１０は、例えば、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケル等の金属や、前記金属の合金、あるいはステンレス鋼等によって、所定の厚みを有する板状に形成することができる他、セラミックによって形成することもできる。また、振動板１０を、金、銀、白金、銅、アルミニウム等の、導電性に優れた金属によって形成して、共通電極層９を省略することもできる。
【００３３】
個別電極層８、および共通電極層９は、それぞれ、金、銀、白金、銅、アルミニウム等の、導電性に優れた金属からなる箔、めっき被膜、真空蒸着被膜等によって形成することができる他、前記各金属の微粒子を含む導電性ペーストを塗布し、乾燥させた後、さらに必要に応じて焼成して形成することもできる。
【００３４】
個別電極層８をパターン形成するためには、例えば、めっき被膜や真空蒸着被膜の場合、圧電セラミック層７の表面の、個別電極層８を形成する領域のみを、選択的に露出させ、それ以外の領域を、めっきマスクで被覆した状態で、露出させた領域に、選択的に、被膜を成膜する方法や、圧電セラミック層７の表面の全面に、被膜を成膜後、前記被膜の、個別電極層８に対応する領域のみを、エッチングマスクで被覆し、それ以外の領域を露出させた状態で、露出させた領域の被膜を、選択的にエッチングして除去する方法等が挙げられる。また、導電性ペーストからなる塗膜の場合は、前記導電性ペーストを、スクリーン印刷法等の印刷方法によって、圧電セラミック層７の表面に、直接に、パターン形成すればよい。
【００３５】
ＰＺＴ系の圧電セラミックからなる圧電セラミック層７と積層された状態で熱処理されることで、前記圧電セラミック層７に応力を付与して、Ｃ軸配向度ＩCの初期値を前記範囲内とするのに適した材料としては、例えば、基板５の場合には、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼等が挙げられ、振動板１０の場合には、４２アロイ合金、Ｔｉおよびその合金、圧電セラミック層に用いられるのと同種の圧電セラミック等が挙げられる。また、個別電極層８、および共通電極層９の場合には、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｄ合金、Ａｕ等が挙げられる。
【００３６】
図１の例のヘッドの、圧電アクチュエータ６の任意の圧電変形領域１１に対応する個別電極層８と、共通電極層９とを介して、圧電セラミック層７の活性領域１５に、順方向、すなわち、前記圧電セラミック層７の分極方向と同方向の電圧を印加すると、前記活性領域１５が、層の面方向に収縮する。しかし、圧電セラミック層７の下面は、共通電極層９を介して振動板１０に固定されているため、前記活性領域１５が収縮すると、それに伴って、圧電変形領域１１が、振動板１０を積層した面を、圧力室２の方向に突出させるように撓み変形する。
【００３７】
また、分極方向と逆方向の電圧を印加すると、前記活性領域１５が、逆に、層の面方向に伸長するため、圧電変形領域１１が、振動板１０を積層した面と反対面を、圧力室２の方向と反対方向に突出させるように撓み変形する。さらに、電圧の印加を停止すると、活性領域１５の、面方向の伸縮が解除されることから、圧電変形領域１１は、撓み変形が解除された、元の平板状の状態に復帰する。
【００３８】
そのため、例えば、圧電セラミック層７の、任意の活性領域１５に、駆動回路１３から、両電極層８、９を介して、順方向の電圧の印加と停止とを繰り返す駆動電圧波形や、順方向と逆方向の電圧を交互に印加する駆動電圧波形を有する電圧を印加して、圧電アクチュエータ６の、任意の圧電変形領域１１を、圧電アクチュエータ６の厚み方向に振動させると、前記振動によって、対応する圧力室２の容積が増減されて、前記圧力室２内のインクが振動する。
【００３９】
そして、前記振動が、連通路４内のインクを通してノズル３に伝えられて、前記ノズル３内に形成されるインクのメニスカスが振動し、この振動に伴って、メニスカスを形成するインクの一部が、インク滴として分離されて、ノズル３から吐出される。
【００４０】
駆動回路１３から、圧電セラミック層７の活性領域１５に印加される電圧は、前記活性領域１５を形成する圧電セラミックの、電圧印加状態での分極量の、１回の動作中での変化率を＋３〜＋８％、特に＋５〜＋６％に維持することができる駆動電圧波形を有するものとする必要がある。
【００４１】
これは、圧電セラミックの、電圧印加状態での分極量の変化率が、前記範囲未満となるような電圧を、活性領域１５に印加して圧電変形領域１１を動作させても、１回の動作で発生させることができる、面方向の収縮に寄与する、９０°分域成分の回転変位の割合が少なすぎて、前記圧電変形領域１１の、前記１回の動作ごとの、厚み方向の撓み変形の変位量が不十分になるためである。
【００４２】
また、前記範囲を超える場合には、圧電変形領域１１の１回の動作が終了した後に、活性領域１５を形成する圧電セラミック中で、回転変位状態で配向したまま戻らない９０°分域成分の割合が増加するため、前記動作を繰り返すことで、前記圧電変形領域１１の変位量が、経時的に、大きく低下してしまうためである。
【００４３】
図２を参照して、ノズル３からインク滴を吐出させない待機時に、圧電セラミック層７の活性領域１５に、順方向の電圧ＶHを印加し続けて、圧電変形領域１１を、圧力室２の方向に突出するように撓ませた状態を維持し、インク滴の吐出時には、前記活性領域１５に、一旦、電圧をゼロにして、圧電変形領域１１のたわみを解除させた後、再び電圧を印加して待機状態に戻す電圧パルス（図中、Ｔ1の幅のパルス）を印加することで、圧電変形領域１１を振動させて、ノズル３からインク滴を吐出させる、いわゆる引き打ち式の動作方式の場合には、例えば、下記の駆動電圧波形を有する電圧が、好適に採用される。
【００４４】
(a)  図２を参照して、図において左側の電圧パルスの印加終了後、次の、図において右側の電圧パルスの印加を開始するまでの間の、活性領域１５に順方向の電圧を印加し続ける、パルス幅Ｔ2の待機期間と、前記左側の、パルス幅Ｔ1の電圧パルスの印加期間とを、１回の動作（トータルのパルス幅Ｔ0＝Ｔ1＋Ｔ2）として、前記待機期間に、９０°分域成分の回転変位が徐々に進行して、活性領域１５を形成する圧電セラミックの、電圧印加状態での分極量の変化率が＋３〜＋８％の範囲内となった任意の時点で、次の電圧パルスを印加して吐出動作に入る、つまり、次の動作に入るように、待機期間のパルス幅Ｔ2を設定した駆動電圧波形。
【００４５】
なお、前記駆動電圧波形において、次の動作時に、電圧パルスを印加せずに、待機を続ける場合には、パルス幅Ｔ2の待機期間が終了した時点で、電圧の印加を停止するか、もしくは、逆方向の電圧を印加して、圧電セラミックの分極量の上昇を抑制する、インクの吐出に影響しない程度の、ごく短い電圧パルス（図中、Ｔ3の幅のパルス）を印加する。また、図示していないが、前記ごく短い電圧パルスの印加後、さらに次の動作に入る前の任意の時点で、必要に応じて、同様の、ごく短い電圧パルスを１回または２回以上、印加することで、圧電セラミックの分極量の上昇を、さらに抑制してもよい。
【００４６】
(b)  図３を参照して、パルス幅Ｔ2の待機期間の途中に、電圧の印加を停止するか、もしくは、逆方向の電圧を印加して、圧電セラミックの分極量の上昇を抑制する、インクの吐出に影響しない程度の、ごく短い電圧パルス（図中、Ｔ4の幅のパルス）を１回または複数回、印加することで、前記待機期間に、活性領域１５を形成する圧電セラミックの、電圧印加状態での分極量の変化率が＋３〜＋８％の範囲内となるように調整する駆動電圧波形。
【００４７】
前記駆動電圧波形において、次の動作時に、電圧パルスを印加せずに、待機を続ける場合には、図示していないが、さらに次の動作に入る前の任意の時点で、必要に応じて、同様の、ごく短い電圧パルスを１回または２回以上、印加して、圧電セラミックの分極量が上昇するのを抑制してもよい。
【００４８】
前記(a)(b)のような駆動電圧波形を有する電圧を印加して、Ｃ軸配向度ＩCの初期値が０．５〜０．７であるＰＺＴ系の圧電セラミックからなる圧電セラミック層７を含む圧電アクチュエータ６の圧電変形領域１１を動作させることによって、前記圧電セラミック層７の活性領域１５を形成する圧電セラミック中に含まれる９０°分域成分の割合が大きく減少して、前記活性領域１５の、面方向の収縮量が大きく低下するのを抑制することができる。そのため、圧電アクチュエータ６の圧電変形領域１１の、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に、大きく低下するのを防止して、長期間に亘って、十分な変位量を維持することができる。
【００４９】
圧電セラミック層７の、活性領域１５を囲む、拘束領域１２に対応した領域（「非活性領域」とする）１６は、前記活性領域１５が面方向に収縮することで、逆に、面方向に伸長される。特に、先に説明した引き打ち式の動作方法では、非活性領域１６が、待機時に、長期間にわたって、面方向に伸長され続けることになり、伸長された状態で、クリープ変形を生じやすい。
【００５０】
そして、非活性領域１６がクリープ変形すると、活性領域１５を周囲から圧縮して、前記活性領域１５内で回転変位した９０°分域成分が元に戻るのを妨げるため、前記活性領域１５を形成する圧電セラミックの分極量が上昇して、圧電アクチュエータ６の圧電変形領域１１の、厚み方向の撓み変形の変位量が、経時的に低下するのを促進していた。
【００５１】
しかし、本発明では、駆動回路１３から、圧電セラミック層７の活性領域１５に、前記特定の駆動電圧波形を有する電圧を印加して、圧電アクチュエータ６の圧電変形領域１１を動作させているため、非活性領域１６を形成する圧電セラミックの、活性領域１５への電圧印加状態での分極量の、１回の動作中での変化率を−３〜＋３％に維持して、前記非活性領域１６のクリープ変形を抑制することもできる。
【００５２】
なお、本発明では、圧電セラミック層７を形成する圧電セラミックの分極量Ｐ（μＣ／ｃｍ2）を、強誘電体測定装置を用いて測定した、前記圧電セラミックの電荷量Ｑ（μＣ）と、個別電極層８の面積である電界面積Ｓ（ｃｍ2）とから、式(2)：
Ｐ＝Ｑ／Ｓ      (2)
によって求めた値でもって表すこととする。
【実施例】
【００５３】
〈ヘッドの作製〉
圧電セラミック材料としてのＰＺＴの粉末（純度９９．９％以上）を、直径φ２ｍｍのジルコニアボールを用いてミル粉砕して、平均粒子径が０．３〜０．５μｍとなるように調整し、乾燥後、メッシュパスして原料粉末を得、前記原料粉末を成形して、圧電セラミック層７、振動板１０のもとになる２枚のグリーンシートを作製した。
【００５４】
次に、図１を参照して、共通電極層９のもとになる導電ペーストを、１枚のグリーンシートの表面に、厚み４μｍとなるように印刷し、その上に、もう１枚のグリーンシートを積層して、加圧プレスした後、焼成して、圧電セラミック層７と、共通電極層９と、振動板１０の積層体を得た。そして、前記積層体のうち、圧電セラミック層７の表面に、スクリーン印刷法によって、Ａｕペーストを、個別電極層８の平面形状に対応した形状に印刷した後、全体を、大気中で、８００〜９００℃で焼付けて、個別電極層８を形成することで、圧電アクチュエータ６を得た。圧電アクチュエータ６の熱膨張係数は７×１０-6／℃であった。
【００５５】
次に、前記圧電アクチュエータ６を、個別電極層８が、圧力室２に対応する位置に配置されるように位置合わせをした状態で、表１に示す各材料からなる基板５上に、エポキシ系接着剤の層を介して積層した後、前記表１に示す温度で熱処理を行って、エポキシ系接着剤を硬化させることで接着して、インクジェットプリンタ用のヘッドを作製した。基板５としては、前記各材料からなる薄板に、エッチングによって、圧力室２、ノズル３、連通路４等を、前記基板５の厚み方向にスライスした形状を有する通孔を形成した複数種の薄板を、順に、エポキシ系接着剤の層を介して積層し、エポキシ系接着剤を硬化させて、接着したものを用いた。そして、製造したヘッドの圧電セラミック層７を、高温分極法によって分極させた状態で、下記の各測定に供した。いずれの試験も室温（５〜３５℃）で行った。
【００５６】
〈Ｃ軸配向度の測定〉
圧電セラミックの初期のＣ軸配向度ＩCを、圧電セラミック層７の表面に、直径１００μｍの円形Ｘ線ビームをスポット照射して、ブラッグ角２θ＝４３〜４６°の間のＸ線回折スペクトルを測定して得た、[２００]面の回折ピーク強度と、[００２]面の回折ピーク強度とから、式(1)によって求めた。
【００５７】
〈分極量の測定〉
ヘッドの個別電極層８と共通電極層９とを、(株)東陽テクニカ製の強誘電体特性評価システムＦＣＥ−ＨＳ２に接続して、前記システムから両電極８、９に、＋１．８３ｋＶ／ｃｍで、かつ、表２に示すパルス幅の電圧を１パルスだけ印加している間の、圧電セラミック層７の活性領域１５を形成する圧電セラミックの電荷量の、初期値Ｑ0（μＣ）と最終値Ｑ1（μＣ）とを測定した。
【００５８】
そして、前記電荷量Ｑ0、Ｑ1と、個別電極層８の面積である電界面積Ｓ（ｃｍ2）とから、式(2)によって、圧電セラミック層７の活性領域１５を形成する圧電セラミックの、電圧印加状態での分極量の初期値Ｐ0（μＣ／ｃｍ2）と最終値Ｐ1（μＣ／ｃｍ2）とを求め、式(3)：
ΔＰ＝（Ｐ1−Ｐ0）／Ｐ0×１００      (3)
によって、分極量の変化率ΔＰ（％）を求めた。
【００５９】
〈動作試験〉
ヘッドの個別電極層８と共通電極層９とを、駆動回路１３に接続して、前記駆動回路１３から両電極層８、９に、図２に示す駆動電圧波形を有し、かつＶH＝＋１．８３ｋＶ／ｃｍであると共に、パルス幅Ｔ1、Ｔ2が、いずれも表２に示す値である駆動電圧波形を有する電圧を、連続的に印加して、圧電変形領域１１を連続的に１億回、動作させた際の、前記圧電変形領域１１の、面方向の中心位置の変位量を、レーザードップラー法によって測定して、連続動作させる前の初期値に対する、変位量の低下率（％）を求めた。以上の結果を、前記変位量の初期値と共に、表１、表２に示す。
【００６０】
【表１】
2007273853.tif 000003
【００６１】
【表２】
2007273853.tif 000004
【００６２】
表より、初期のＣ軸配向度ＩCが０．５〜０．７であるＰＺＴ系の圧電セラミックからなる圧電セラミック層７を備えた圧電アクチュエータ６を、前記圧電セラミック層の活性領域１５を形成する圧電セラミックの分極量の変化率が、初期値の＋３〜＋８％となる駆動電圧波形を有する電圧を印加して動作させることで、圧電アクチュエータ６の初期の変位量を十分に確保しながら、前記変位量が、経時的に大きく低下するのを防止して、長期間に亘って十分な変位量を維持できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の圧電アクチュエータユニットの一例を、インクジェットプリンタのヘッドに、駆動源として組み込んだ例を示す断面図である。
【図２】前記圧電アクチュエータユニットの圧電セラミック層に印加する電圧の、駆動電圧波形の一例を示すグラフである。
【図３】駆動電圧波形の他の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１     圧電アクチュエータユニット
２     圧力室
３     ノズル
４     連通路
５     基板
６     圧電アクチュエータ
７     圧電セラミック層
８     個別電極層
９     共通電極層
１０   振動板
１１   圧電変形領域
１２   拘束領域
１３   駆動回路
１４   制御ユニット
１５   活性領域
１６   非活性領域
【図１】
2007273853.tif 000005
【図２】
2007273853.tif 000006
【図３】
2007273853.tif 000007