JP4114321B2 - インクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータに関し、特に高効率で電気エネルギーを機械振動エネルギーに変換し、圧力室内に充填されたインクを飛翔させるインクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電／電歪アクチュエータは、インクジェットプリンタヘッドや圧力ポンプなどに適用され、電圧を印加すると伸縮するという圧電材料の特性を生かし、圧電材料と振動伝達板とを一体化形成したものが開発されている。インクジェットプリンタヘッド向けの圧電／電歪アクチュエータとしては、圧電／電歪材料の縦振動を利用するタイプと、振動伝達板と一体化された圧電／電歪材料の振動により生じる屈曲（撓み）を利用するタイプと、の２つに分類される。
【０００３】
例えば、超音波テクノ（１９９８年７月、VOL.10、No.7, ｐ３３−３６）には、圧電／電歪アクチュエータを利用したインクジェットプリンタヘッドの構造とそのインク吐出原理が詳細に記されている。その概要を図９に基づいて、以下に説明する。
【０００４】
図９に示されるように、従来の圧電／電歪アクチュエータを利用したインクジェットプリンタヘッドは、上部電極９１と、圧電板９２と、下部電極９３と、振動板９４と、圧力室９５と、を備えて構成される。
【０００５】
圧電／電歪アクチュエータに印加された電気エネルギーは、上部電極９１、圧電板９２、下部電極９３により機械振動エネルギーへと変換される。この機械振動エネルギーは、振動板９４を介して圧力室９５内に充填された液状インクに伝達され、音響エネルギーへと変換される。次に、音響エネルギーは、プリンタヘッドの表面近傍に設けられた細孔近傍において、インク滴を用紙に着弾させるのに必要な運動エネルギーに変換後、当該運動エネルギーによりインクを飛翔させる。この運動エネルギーの大きさは、圧電／電歪アクチュエータによる機械的振動エネルギーに起因する振動板９４の変位の大きさに依存するものである。
【０００６】
圧電／電歪アクチュエータは、電気エネルギーから機械的振動エネルギーへの変換効率が高いこと、すなわち、変位が大きいことが求められる。ここで言うエネルギー変換効率とは、エネルギー変換効率＝機械的振動エネルギー／入力電気エネルギーであり、このエネルギー変換効率が高いほど変位が大きいものである。図９に示されるように、振動板９４上に形成された下部電極９３を通じ、細長い矩形状の圧電板９２を配置した圧電／電歪アクチュエータが一般的に利用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述されるような従来の圧電／電歪アクチュエータは、圧電板の幅方向の伸縮運動を主に利用しているものであり、長さ方向の圧電伸縮は、振動に寄与しないため、印加する電気エネルギーから機械振動エネルギーへの変換効率が極めて低い、すなわち、変位が小さく、液状インクを飛翔させるのに十分な運動エネルギーを得ることができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、電気エネルギーから機械的振動エネルギーへの変換効率が高い、すなわち、変位の大きいインクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、基板内に空孔として形成され、該基板の上面側に所定の輪郭形状からなる開口部を備える圧力室と、基板上で圧力室の開口部を塞いで接合される振動伝達板と、振動伝達板上に下部電極、圧電板、上部電極を積層してなる圧電／電歪アクチュエータと、を有し、圧力室の開口部の輪郭形状は、短径と長径との辺長比が０．８以上１．０以下の矩形形状であり、圧電／電歪アクチュエータは、圧電板の外周部が圧力室の開口部の上方において当該開口部の輪郭形状よりも内側となるように配置され、前記振動伝達板は、前記圧力室の前記開口部近傍において、前記振動伝達板の輪郭に沿って、少なくとも回転対称となる４箇所に凹み部が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、圧電板は、圧力室の開口部の輪郭形状の寸法に対して、０．５以上１．０以下の寸法比で形成されることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、圧電板は、圧力室の開口部の輪郭形状の中心位置と該圧電板の外周部の中心位置とが略一致する位置で、振動伝達板上に設けられることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、圧電板の外周部は、矩形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、圧電板の外周部は、圧力室の開口部の輪郭形状と相似関係にある矩形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、圧電板の外周部は、圧力室の開口部の輪郭形状と略同一の輪郭形状を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の発明は、請求項３記載の発明において、圧電板の外周部は、円形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、圧電板の外周部は、圧力室の開口部の輪郭形状に、少なくとも一部の円周が、下部電極と振動伝達板とを介して重畳する円形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の発明において、圧電板は、圧力室の開口部の輪郭形状に、下部電極と振動伝達板とを介して重畳する円形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００１８】
請求項１０記載の発明は、請求項３記載の発明において、圧電板の外周部は、楕円形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の発明において、圧電板の外周部は、圧力室の開口部の輪郭形状に、少なくとも一部の円周が、下部電極と振動伝達板とを介して重畳するような楕円形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００２０】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の発明において、圧電板の外周部は、圧力室の開口部の輪郭形状に、下部電極と振動伝達板とを介して重畳するような楕円形状であることを特徴とする。
【００２２】
請求項１３記載の発明は、請求項１から１２のいずれか１項に記載の発明において、凹み部は、圧力室の開口部の輪郭形状の寸法に対して、０．５未満の寸法比で形成されることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４記載の発明は、請求項１から１３のいずれか１項に記載の発明において、凹み部は、振動伝達板の輪郭から所定の幅を隔てて、該輪郭に沿って形成される溝であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の発明において、振動伝達板は、溝により囲まれた内側部分の形状が矩形であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１６記載の発明は、請求項１４記載の発明において、振動伝達板は、溝により囲まれた内側部分の形状が円形または楕円形であることを特徴とする。
【００２７】
請求項１７記載の発明は、請求項１から１６のいずれか１項に記載の発明において、凹み部は、接合面における振動伝達板の各辺に沿って形成されることを特徴とする。
【００２８】
請求項１８記載の発明は、請求項１７記載の発明において、凹み部は、接合面における振動伝達板の各隅を跨ぐように形成されることを特徴とする。
【００２９】
請求項１９記載の発明は、請求項１から１８のいずれか１項に記載の発明において、振動伝達板は、凹み部の一部もしくは複数がインク導入路であることを特徴とする。
【００３０】
請求項２０記載の発明は、上部電極と圧電板と下部電極と振動伝達板と圧力室とを備えるインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータにおいて、圧力室は、振動伝達板との接合面における短径と長径との辺長比を０．８以上１．０以下とする矩形状の輪郭を有し、圧電板は、接合面における圧力室の内壁輪郭形状より内側となる位置で、振動伝達板上に設けられ、前記振動伝達板は、前記圧力室との接合面において、前記振動伝達板の輪郭に沿って、少なくとも回転対称となる４箇所に凹み部が形成されていることを特徴とする。
【００３１】
請求項２１記載の発明は、請求項２０記載の発明において、圧電板は、圧力室の内壁輪郭形状の寸法に対して、０．５以上１．０以下の寸法比で形成されることを特徴とする。
【００３２】
請求項２２記載の発明は、請求項２１記載の発明において、圧電板は、接合面における圧力室の輪郭形状の中心位置と該圧電板の輪郭形状の中心位置とが略一致する位置で、振動伝達板上に設けられることを特徴とする。
【００３３】
請求項２３記載の発明は、請求項２２記載の発明において、圧電板は、矩形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００３４】
請求項２４記載の発明は、請求項２３記載の発明において、圧電板は、圧力室の輪郭形状と相似関係にある矩形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００３５】
請求項２５記載の発明は、請求項２４記載の発明において、圧電板は、圧力室の内壁輪郭形状と略同一の輪郭を有することを特徴とする。
【００３６】
請求項２６記載の発明は、請求項２２記載の発明において、圧電板は、円形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００３７】
請求項２７記載の発明は、請求項２６記載の発明において、圧電板は、圧力室の輪郭形状に少なくとも一部の円周が、下部電極と振動伝達板とを介して重畳するような円形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００３８】
請求項２８記載の発明は、請求項２７記載の発明において、圧電板は、圧力室の輪郭形状に、下部電極と振動伝達板とを介して重畳するような円形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００３９】
請求項２９記載の発明は、請求項２２記載の発明において、圧電板は、楕円形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００４０】
請求項３０記載の発明は、請求項２９記載の発明において、圧電板は、圧力室の輪郭形状に少なくとも一部の円周が、下部電極と振動伝達板とを介して重畳するような楕円形状の輪郭を有することを特徴とする。
【００４１】
請求項３１記載の発明は、請求項３０記載の発明において、圧電板は、圧力室の輪郭形状に、下部電極と振動伝達板とを介して重畳するような楕円形状であることを特徴とする。
【００４３】
請求項３２記載の発明は、請求項２０から３１のいずれか１項に記載の発明において、凹み部は、圧力室の内壁輪郭形状の寸法に対して、０．５未満の寸法比で形成されることを特徴とする。
【００４４】
請求項３３記載の発明は、請求項２０から３２のいずれか１項に記載の発明において、凹み部は、振動伝達板の輪郭から所定の幅を隔てて、該輪郭に沿って形成される溝であることを特徴とする。
【００４５】
請求項３４記載の発明は、請求項３３記載の発明において、振動伝達板は、溝により囲まれた内側部分の形状が矩形であることを特徴とする。
【００４６】
請求項３５記載の発明は、請求項３３記載の発明において、振動伝達板は、溝により囲まれた内側部分の形状が円形または楕円形であることを特徴とする。
【００４８】
請求項３６記載の発明は、請求項２０から３５のいずれか１項に記載の発明において、凹み部は、接合面における振動伝達板の各辺に沿って形成されることを特徴とする。
【００４９】
請求項３７記載の発明は、請求項３６記載の発明において、凹み部は、接合面における振動伝達板の各隅を跨ぐように形成されることを特徴とする。
【００５０】
請求項３８記載の発明は、請求項２０から３７のいずれか１項に記載の発明において、振動伝達板は、凹み部の一部もしくは複数がインク導入路であることを特徴とする。
【００５１】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら本発明の実施形態であるインクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータを詳細に説明する。図１から図８を参照すると、本発明に係るインクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータの実施の形態が示されている。
【００５２】
本発明の実施形態であるインクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータは、上部電極と、圧電板と、下部電極と、振動伝達板と、圧力室と、を備えて構成される。
【００５３】
圧力室は、基板内に空孔として形成され、基板上面側に所定の輪郭形状からなる開口部を備えている。本発明において、この開口部の輪郭形状は、その短径と長径との辺長比が０．８以上１．０以下の矩形形状とする。この基板としては、シリコン等の単結晶ウェハからガラスのような非晶質材料まで、幅広い材質のものを用いることができる。ここで、特に単結晶シリコン（１００）ウェハを用いた場合、ウェットエッチングにより容易に矩形形状の開口部を持つエッチングが可能であり、圧力室形成に好適である。
【００５４】
なお、圧力室の基板下面側（矩形形状の開口部を設ける面の反対側）には、インクを飛翔させるためのノズル開口を設けるか、または、別途用意したノズルプレートを接合してインクノズルとする。
【００５５】
振動伝達板は、圧力室の基板上面側に設けられた開口部を塞ぐように、基板と接合される。この振動伝達板上には、下部電極、圧電板、上部電極の順に積層した圧電／電歪アクチュエータを形成する。この圧電／電歪アクチュエータは、圧力室の上方で、かつ、圧電板の外周が圧力室に形成された開口部の輪郭形状よりも内側となる位置に配置される。このアクチュエータの配置については、以下の実施例で詳述する。
【００５６】
上部電極及び下部電極は、導電性を示す金属、樹脂、セラミックス、圧電板は電圧を印加すると伸縮するポリ弗化ビニリデンなどの樹脂、ジルコン酸チタン酸鉛などのセラミックス、単結晶及びこれらから構成される複合材料が用いられる。
【００５７】
圧電板は、電圧を印加すると伸縮する電歪振動子を含むものである。この圧電板として、ジルコン酸チタン酸鉛など鉛主成分のセラミックスを焼成形成する場合、振動伝達板より高融点の材料を用いると、振動伝達板への鉛やその他成分の拡散防止により、振動伝達板の特性が劣化するのを防止することができる。
【００５８】
また、鉛やその他成分の拡散防止により、圧電板の材料組成が均一に保たれるため、安定した振動特性を得ることができる。さらに、振動伝達板として、チタン酸鉛などのＰｂ系セラミックスを使用した場合は、圧電板焼成時における鉛の蒸発を防止できるため、材料組成が均一な圧電板を得ることができる。
【００５９】
振動伝達板は、樹脂などの有機物、セラミックス、ガラス、金属、単結晶材料などが用いられる。振動伝達板に樹脂を使用した場合には、圧電板と接合する際に、樹脂の弾性により製造工程で発生する熱膨張による界面剥離を防止することができる。
【００６０】
振動伝達板として、ジルコニア、アルミナ、マグネシア、チタニアを主成分とする圧電板材料より融点の高いセラミックスを使用した場合には、下部電極を形成した振動伝達板の材料上に圧電板を焼成一体化形成することが可能となる。従って、接着剤などの接合剤を使用することなく、振動伝達板と一体化形成された圧電／電歪アクチュエータを製造することができる。
【００６１】
振動伝達板として、金属、セラミックス、ガラス、有機材料などを積層、もしくは複合して形成した場合には、同手法を用いることにより振動伝達板の弾性率の自由度を拡張することができる。従って、用途に応じた必要変位を得る圧電／電歪アククチュエ―タを実現することができる。
【００６２】
振動伝達板として、金属を使用した場合には、これを下部電極として使用することにより、新たに下部電極を形成する必要がなく、製造コストの低減化を図ることができる。
【００６３】
振動伝達板として、シリコン、アルミナ、マグネシアなどの単結晶を使用した場合には、半導体プロセスで用いられる微細加工技術を適用することにより、寸法精度の高い振動伝達板を作製することができる。
【００６４】
上部電極及び下部電極の材料として、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｄ合金などの低抵抗金属材料を使用した場合には、圧電／電歪アクチュエータに通電する際の電気エネルギーロスを低減できるので、アクチュエータ自体が発熱するのを防止することができる。
【００６５】
通常、圧電板は容量性であり、温度が高くなると静電容量が変動する。この変動により、圧電／電歪アクチュエータに流れ込む電流も変動するため、アクチュエータの制御が困難となるという問題があった。しかし、上述されるような低抵抗材料を使用することにより、動作温度に起因する電流変動を防止することが可能となり、アクチュエータの制御性を向上できる。従って、圧電／電歪アクチュエータに上記材料を使用することで、実用的な圧電／電歪アクチュエータを実現することができる。
【００６６】
また、圧電板を機械加工により薄片とし、これに下部電極、上部電極を形成した後、振動伝達板に有機接着剤、金属接合材、ガラス接合材などを介して接合一体化形成された圧電／電歪アクチュエータは、焼成一体化する方法と比べて、緻密かつ均一な組成、寸法精度のよい圧電板を得られる。従って、圧電板の本来の特性を十分発揮でき、理想的な圧電／電歪アクチュエータを実現することができる。
【００６７】
本発明の実施形態であるインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータは、対向する上部電極及び下部電極に挟まれた圧電板に電気エネルギーを付与すると、圧電板の伸縮振動が励振される。この伸縮運動は、振動伝達板の拘束力により屈曲振動に変換され、インクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータとして厚み方向の変位が使用される。
【００６８】
圧電板の形状を矩形とした場合、その幅（短径）と長さ（長径）との辺長比が１に漸近するにつれ、幅方向の圧電振動と長さ方向の圧電振動とが結合する、すなわち圧電結合が起こり、下部電極及び圧電板は、板の中心軸を対称に輪郭方向への伸縮振動が励振される。この時の振動エネルギーは、２つの圧電振動が結合することにより増幅される。この圧電板に振動伝達板が一体化された圧電／電歪アクチュエータの伸縮運動は、振動伝達板の拘束により伸縮の方向が変わるため、大きな屈曲振動に変換される。
【００６９】
従来の細長い矩形形状の圧電板を配置した圧電／電歪アクチュエータは、主に幅方向の圧電振動による伸縮運動のみを利用するため、電気エネルギーから機械的振動エネルギーへの変換効率が少ない、すなわち発生する変位が小さいものである。図１は、圧電板の辺長比とエネルギー変換効率との関係を示したグラフである。図１において、圧電結合により、辺長比０．２〜０．７では、約１５〜１７％のエネルギー変換効率であるが、辺長比０．８〜１．０では、急激にエネルギー変換効率が増大し、辺長比１で最大（約５０％）に達することが示されている。
【００７０】
次に、圧電板と圧力室の内壁輪郭との関係について以下に説明する。
圧電板の輪郭が圧力室の内壁輪郭より大きい場合、圧力室壁の剛性により、輪郭の差分の面積で圧電板の伸縮運動が拘束されてしまうため、圧電板の屈曲振動は極端に抑制されてしまう。従って、圧電板の輪郭が圧力室の輪郭と一致、または、小さい場合、圧力室壁の剛性による拘束がなくなり、圧力室の輪郭面積の５０％まで大きな変位を得ることができる。
【００７１】
しかしながら、圧電板の輪郭が圧力室の輪郭面積の５０％を下回ると、振動伝達板を屈曲させるのに十分な機械振動エネルギーが得られないため、変位が小さくなる。また、圧力室の輪郭の中心位置と圧電板の輪郭の中心位置とを一致させないと、中心対称な変位を得ることができず、振動伝達板の変位分布に片よりが生じるため、振動伝達板の屈曲変位の平均値が小さくなる。
【００７２】
なお、圧力室内の形状は、製造時における製造バラツキやエッチング残りなどにより必ずしも一定の形状とはならないため、本願発明では、圧力室と振動伝達板との接合面を基準として説明するものである。
【００７３】
図２から図４は、本発明の実施形態であるインクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータの構造を説明する斜視図及び断面図である。図５は、圧電／電歪アクチュエータの屈曲振動による振動伝達板の厚み方向の変位分布を最大変位で規格化して示した平面図である。
【００７４】
〈第１の実施形態〉
図２に基づいて、ＬＡ１＝ＬＢ１、ＬＡ２＝ＬＢ２、ＬＡ１／ＬＢ２＝ＬＡ２／ＬＢ２＝０．３の矩形形状の圧電／電歪アクチュエータを説明する。この圧電／電歪アクチュエータにおける振動伝達板２４上の厚み方向の変位分布は、図５（ａ）に示されるように、中心近傍に分布が集中し、特に長さ方向では変位がゼロもしくは微小変位である。変位分布から計算される平均変位は小さいものである。
【００７５】
図２に基づいて、ＬＡ１＝ＬＡ２＝ＬＢ１＝ＬＢ２の正方形状の圧電／電歪アクチュエータを説明する。このような構造の場合、図５（ｂ）で示されるように、変位分布は同心円状に広がり、平均変位は前者に比べて大きい。これは圧電板２２の幅方向および長さ方向への振動の圧電結合が起こることにより、エネルギー変換効率が高くなるためである。しかし、振動伝達板２４の幅輪の四隅には変位がゼロもしくは無視できるほど微小な領域が存在する。この領域は振動伝達板２４と圧電板２２の剛性により変位拘束された領域である。
【００７６】
〈第２の実施形態〉
図３は、本発明の第２の実施形態である圧電／電歪アクチュエータを説明するため、圧力室３５の輪郭形状が正方形であるのに対し、中心軸を共有する円形状の圧電板３２と振動伝達板３４とが一体化されたアクチュエータ、すなわち、ＬＡ３＝ＬＡ４＝ＬＢ３＝ＬＢ４の円形状の圧電／電歪アクチュエータを示す図である。振動伝達板３４の輪郭の四隅には、圧電板３２がないため、この部位での剛性は低下し、柔らかくなる。圧電板３２の伸縮運動により、この四隅も屈曲変位に寄与することとなり、図５（ｃ）に示されるように変位分布は広がり、振動伝達板３４上の平均変位は大きくなる。
【００７７】
〈第３の実施形態〉
図４は、本発明の第３の実施形態である圧電／電歪アクチュエータを説明するため、圧電板４２の輪郭に沿って、振動伝達板４４に凹み部を形成する圧電／電歪アクチュエータを示す図である。図４に示されるように、圧力室４５の輪郭の内側に向かい凹部を形成する。凹部を形成することでこの部位での剛性は低くなる、すなわち柔らかくなる。従って、振動伝達板４４の輪郭近傍も変位に寄与することとなり、図５（ｃ）に示されるように大きな平均変位を得ることができる。また、圧力室４５の輪郭に沿い、振動伝達板４４の四隅に凹部を設けても同様の効果が得られる。
【００７８】
しかし、圧力室４５の輪郭に対して、振動伝達板４４上に凹み部を形成することで、振動伝達板４４の中央に生成する寸法と圧力室４５の輪郭寸法比が０．５に満たない場合は、振動伝達板４４の剛性が過大に低下し、圧電板４２の伸縮運動から屈曲振動への変換が十分おこなわれず、平均屈曲変位は小さくなる。ここでは、振動伝達板４４上の圧力室４５側に凹み部を設けたが、圧電板４２側に凹部を設けても同様の効果が得られる。
【００７９】
図６は、本発明の第３の実施形態である圧電／電歪アクチュエータの凹み部を形成する際の第１の具体例を示す斜視図である。図６（ａ）は、不図示の圧力室と接合する振動伝達板６４ａの底部分に、当該振動伝達板６４ａの輪郭から所定の幅を設けて溝６０ａ（凹み部に相当）が形成され、中心部分を矩形状に形成したものである。
【００８０】
また、図６（ｂ）は、不図示の圧力室と接合する振動伝達板６４ｂの底部分の中心部分を円形状で形成し、その外周部分を振動伝達板６４ｂの輪郭部分まで溝６０ｂ（凹み部に相当）を設けたものである。
【００８１】
図７は、本発明の第３の実施形態である圧電／電歪アクチュエータの凹み部を形成する際の第２の具体例を示す斜視図である。図７（ａ）は、不図示の圧力室と接合する振動伝達板７４ａの底部分に、当該振動伝達板７４ａの輪郭から所定の幅を設けて、各辺に沿って回転対称となる４箇所に溝７０ａ（凹み部に相当）が形成されている。
【００８２】
また、図７（ｂ）は、不図示の圧力室と接合する振動伝達板７４ｂの底部分に、当該振動伝達板７４ｂの輪郭から所定の幅を設けて、各隅を跨ぐように回転対称となる４箇所に溝７０ｂ（凹み部に相当）が形成されている。
【００８３】
以上のように、振動伝達板の輪郭近傍に凹み部を形成することで、当該凹み部における剛性は低くなるため、輪郭近傍も変位に寄与することとなり、大きな変位を得ることができる。
【００８４】
図８は、本発明の実施形態である圧電／電歪アクチュエータの実装状況を説明する図である。図８に示されるように、上部電極８１と圧電板８２と下部電極８３とからなる部材と、矩形形状の輪郭から所定の幅を有して溝（凹み部）が形成された振動伝達板８４と、当該振動伝達板８４を収容するための穴、インク導入路８６、インクを吐出するノズル穴８７、のそれぞれが形成された圧力室８５と、が図示される状態で接合される。
【００８５】
圧力室８５において、振動伝達板８４に溝（凹み部）を形成し、その一部もしくは複数を圧力室８５内に充填されるインクのインク導入路８６延長部分に配することで、インクが流れ込んだ際に、気泡が圧力室８５内で滞留もしくは四隅に吸着されることなく、圧電／電歪アクチュエータの駆動により発生したインク内の圧力波がノズル部に高効率で伝達される。
【００８６】
なお、振動伝達板８４に必ずしも溝（凹み部）が形成されている必要はなく、溝が形成されていない振動伝達板を用いることも可能である。
【００８７】
また、多数の圧力室に該アクチュエータを多数配列してインクジェットプリンタに用いれば、他数の液噴射ができ印刷速度の観点から実用的である。
【００８８】
次に、本発明の実施形態である圧電／電歪アクチュエータの具体的な実施例を以下に説明する。
【００８９】
〈第１の実施例〉
図２において、圧電板２２がＬＡ１＝ＬＢ１、ＬＡ２＝ＬＢ２、ＬＡ１＝ＬＡ２＝０．４ｃｍ、ＬＡ１／ＬＡ２＝Ｘを変数値とした圧電／電歪アクチュエータを作製した。振動伝達板２４は、２０μｍのジルコニア−アルミナ複合セラミックス材料を焼成法で作製した。下部電極２３として２μｍのＰｔを形成後、圧電板２２として２０μｍのジルコンチタン酸鉛セラミックスを焼きつけた。その後、上部電極２１として、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ（０．１μｍ／０．５μｍ／１μｍ）の３層材料を薄膜成膜法により形成した。
【００９０】
その後、圧力室壁２７の厚みを１００μｍ、高さ３００μｍで形成した。ノズル２９側の圧力室内壁２８は以下に述べる評価のため除去し、この圧力室２５をシリコン単結晶で作製して、ポリイミド系接着剤で圧電／電歪アクチュエータと接合一体化した。この時、圧力室２５の中心位置と圧電／電歪アクチュエータの中心位置とを一致させた。圧力室２５と振動伝達板２４の接合面において、圧力室２５の輪郭と振動伝達板２４の輪郭とを一致させた。また、圧電／電歪アクチュエータは、下部電極２３を接地、上部電極２１に正端子とし、１ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、分極処理を施した。
【００９１】
次に、振動を阻害しないリード端子を圧電／電歪アクチュエータの電極に取り付け、１０Ｖの直流電圧でオフセットをした、振幅１０Ｖ、周波数５０ｋＨｚの交流電圧をリード端子を介して印加し、圧電／電歪アクチュエータを駆動させた。評価はレーザ変位系を用いて、除去した圧力室内壁２８側からアクチュエータの振動伝達板の変位分布を測定し、平均変位Ｚを計算した結果を表１に示す。
【００９２】
【表１】

【００９３】
表１よりＸが０．８以上で平均変位Ｚは増大し、１．０で最大となり、本発明の効果が顕著であることがわかる。
【００９４】
〈第２の実施例〉
図３において、ＬＡ３＝ＬＡ４を直径とする円板状の圧電板３２、ＬＢ３＝ＬＢ４の輪郭が正方形の圧力室３５とし、φ＝ＬＡ３／ＬＡ４において、φを変数値とした圧電／電歪アクチュエータを作製した。振動伝達板３４は、２０μｍジルコニア−アルミナ複合セラミックス材料を焼成法で作製した。下部電極３３として２μｍのＰｔを形成後、圧電板３２として２０μｍのジルコンチタン酸鉛セラミックスを焼きつけた。その後、上部電極３１として、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ（０．１μｍ／０．５μｍ／１μｍ）の３層材料を薄膜成膜法により形成した。ここでＣｒ、Ｎｉ層は、圧電板３２との密着性を高めるため設けたもので、上部電極３１の電気的な機能としてはＡｕ層を用いている。
【００９５】
その後、圧力室壁３７の厚みを１００μｍ、高さ３００μｍで形成した。ノズル３９側の圧力室内壁３８は以下に述べる評価のため除去し、この圧力室３５をシリコン単結晶で作製し、ポリイミド系接着剤で圧電／電歪アクチュエータと接合一体化した。このとき圧力室３５の中心位置と圧電／電歪アクチュエータの中心位置とを一致させた。また、圧電／電歪アクチュエータは、下部電極３３を接地、上部電極３１に正端子とし、１ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、分極処理を施した。
【００９６】
次に、振動を阻害しないリード端子を圧電／電歪アクチュエータの電極に取り付け、１０Ｖの直流電圧でオフセットをした、振幅１０Ｖ、周波数５０ｋＨｚの交流電圧を、リード端子を介し印加、圧電／電歪アクチュエータを駆動させた。評価はレーザー変位系を用い、除去した圧力室内壁３８側から、アクチュエータの振動伝達板３４の変位分布を測定し、平均変位Ｚを計算し、この結果を表２に示す。
【００９７】
【表２】

【００９８】
表２より、φ＝１のとき、第１の実施例の表１に示される正方形状の圧電板を用いたアクチュエータと比較し、約３０％の変位の向上ができ、円形状の圧電板を用いた顕著な効果がある。またφ＝０．５〜１の範囲では、φ＝１と比較し、同等以上の変位が得られるが、φ≦０．５では、変位は大幅に低下する。なお、本発明では、φ＝０．６〜０．９の範囲が好ましく、効果が顕著であることがわかる。
【００９９】
〈第３の実施例〉
図４において、圧電板をＬＡ５＝ＬＢ５＝ＬＡ６＝ＬＢ６＝０．４ｃｍ、振動伝達板４４を２０μｍ厚みのジルコニア−アルミナ複合セラミックス材料を焼成法で作製した。振動伝達板４４には、深さ１０μｍ、幅（ＬＣ５−ＬＢ５）／２＝（ＬＣ６−ＬＣ６）／２の凹み部を形成した。ＬＣ５＝ＬＣ６を変動させ、γ＝ＬＣ５／ＬＡ５を定義して、γを変動値とした。下部電極４３として２μｍのＰｔを形成後、圧電板４２として２０μｍのジルコンチタン酸鉛セラミックスを振動伝達板４４上に焼成形成した。
【０１００】
その後、上部電極４１として、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ（０．１μｍ／０．５μｍ／１μｍ）の３層材料を薄膜成膜法により形成した。その後、圧力室壁４７の厚みを１００μｍ、高さ３００μｍで形成した。ノズル４９側の圧力室内壁４８は以下に述べる評価のため除去した。圧力室４５をシリコン単結晶で作製し、ポリイミド系接着剤で圧電／電歪アクチュエータと接合一体化した。この時、圧力室４５の中心位置と圧電／電歪アクチュエータの中心位置とを一致させた。圧力室４５と振動伝達板４４の界面における圧力室４５の輪郭と圧電板４２の輪郭とを一致させた。また、圧電／電歪アクチュエータは、下部電極４３を接地、上部電極４１に正極端子として、１ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加して、分極処理を施した。
【０１０１】
次に、振動を阻害しないリード端子を圧電／電歪アクチュエータの電極に取り付け、１０Ｖの直流電圧でオフセットをした、振幅１０Ｖ、周波数５０ｋＨｚの交流電圧を、リード端子を介して印加し、圧電／電歪アクチュエータを駆動させた。評価はレーザ変位系を用いて、除去した圧力室壁４８側から振動伝達板４４の変位分布を測定し、平均変位Ｚを計算した結果を表３に示す。
【０１０２】
【表３】

【０１０３】
表３に示されるように、γが０．５以上で平均変位Ｚは、凹部を設けないアクチュエータ（γ＝１）と同等以上に増大する。なお、本発明では、γ＝０．６〜０．９の範囲が好ましく、効果が顕著であることがわかる。
【０１０４】
〈第４の実施例〉
図３において、ＬＡ３＝ＬＡ４を直径とする円板状の圧電板３２、ＬＢ３＝ＬＢ４の輪郭が正方形状の圧力室３５とし、φ＝ＬＡ３／ＬＡ４において、φ＝０．５およびφ＝０．８として圧電／電歪アクチュエータを作製した。振動伝達板３４は、２０μｍのジルコニア−アルミナ複合セラミックス材料を焼成法で作製した。下部電極３３として２μｍのＰｔを形成後、圧電板３２として２０μｍのジルコンチタン酸鉛セラミックスを焼きつけた。その後、上部電極３１として、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ（０．１μｍ／０．５μｍ／１μｍ）の３層材料を薄膜成膜法により形成した。ここで、Ｃｒ、Ｎｉ層は、圧電板との密着性を高めるために設けたもので、上部電極３１の電気的な機能としてはＡｕ層を用いた。
【０１０５】
その後、圧力室壁３７の厚みを１００μｍ、高さ３００μｍで形成した。ノズル３９として、φ＝３０μｍの径を形成した圧力室３５をシリコン単結晶で作製し、ポリイミド系接着剤で圧電／電歪アクチュエータと接合一体化した。この時、圧力室の中心と圧電／電歪アクチュエータの中心位置とを一致させた、また、圧電／電歪アクチュエータは、下部電極３３を接地、上部電極３１に正端子とし、１ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、分極処理を施した。
【０１０６】
次に、振動を阻害しないリード端子を圧電／電歪アクチュエータの電極に取り付け、１０Ｖの直流電圧でオフセットした振幅１０Ｖ、周波数５０ｋＨｚの交流電圧を、リード端子を介して印加し、圧電／電歪アクチュエータを駆動させた。
【０１０７】
圧力室３５にインクと見立てた水を注入し、ノズルより吐出飛翔する水滴の速度を測定した。φ＝０．５の場合、１ｍ／ｓの速度であるのに対し、φ＝０．８では６ｍ／ｓの速度が得られた。速度の向上は、運動エネルギーが増大することであり、従って、水滴の運動軌跡の安定性を図ることができる。
【０１０８】
また、高速で印字することも可能になる。すなわち、圧電／電歪アクチュエータの変位向上は、インクジェットプリンタの高性能化につながり、上記実施例により本発明の効果が顕著であることが分かる。
【０１０９】
なお、上述される各実施例は、本発明の好適な実施例であり、本発明の要旨を変更しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。例えば、上述される各実施形態において、圧電板の形状を矩形、円形、楕円形としているが、これらに限定されるものでなく、圧力室と振動伝達板の接合面における圧力室の内壁輪郭よりも内側の位置に配置され、かつ、中心軸を共有し、圧力室の内壁輪郭の０．５以上１未満の寸法比で形成されるものであれば、特にその形状を限定するものではない。
【０１１０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明のインクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータによれば、変位の大きな圧電／電歪アクチュエータを実現することができ、同アクチュエータをインクジェットプリンタに応用することで、その工業的価値を向上することができる。
【０１１１】
また、本発明のインクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータによれば、振動伝達板に形成された凹み部をインク導入路の延長となるように配することで、気泡が滞留または隅に吸着されることがない。従って、圧電板の駆動により発生した液状インク内の圧力波がノズル部に高効率で伝達されるので、気泡滞留によるインク流入の妨げとなるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である圧電／電歪アクチュエータのエネルギー変換効率と形状の関係を示すグラフである。
【図２】本発明の第１の実施形態であるインクジェットプリンタヘッド及び圧電／電歪アクチュエータの斜視図及び断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態であるインクジェットプリンタヘッド及び圧電／電歪アクチュエータの斜視図及び断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態であるインクジェットプリンタヘッド及び圧電／電歪アクチュエータの斜視図及び断面図である。
【図５】本発明の実施形態であるインクジェットプリンタヘッド及び圧電／電歪アクチュエータを構成する振動伝達板上の変位分布を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態における凹み部形成の第１の具体例を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態における凹み部形成の第２の具体例を示す斜視図である。
【図８】本発明の第４の実施形態であるインクジェットプリンタヘッド及び圧電／電歪アクチュエータの構成を説明する斜視図である。
【図９】従来のインクジェットプリンタヘッド及び圧電／電歪アクチュエータの概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
２１ 上部電極
２２ 圧電板
２３ 下部電極
２４ 振動伝達板
２５ 圧力室側壁
２６ 圧力室内
２７ 圧力室壁
２８ 圧力室壁底部
２９ ノズル穴
ＬＡ１、ＬＡ２ 圧電板寸法
ＬＢ１、ＬＢ２ 圧力室内壁寸法

Claims (38)

1. 基板内に空孔として形成され、該基板の上面側に所定の輪郭形状からなる開口部を備える圧力室と、
   前記基板上で前記圧力室の前記開口部を塞いで接合される振動伝達板と、
   前記振動伝達板上に下部電極、圧電板、上部電極を積層してなる圧電／電歪アクチュエータと、を有し、
   前記圧力室の前記開口部の輪郭形状は、短径と長径との辺長比が０．８以上１．０以下の矩形形状であり、
   前記圧電／電歪アクチュエータは、前記圧電板の外周部が前記圧力室の前記開口部の上方において当該開口部の輪郭形状よりも内側となるように配置され、
   前記振動伝達板は、前記圧力室の前記開口部近傍において、前記振動伝達板の輪郭に沿って、少なくとも回転対称となる４箇所に凹み部が形成されていることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。
2. 前記圧電板は、
   前記圧力室の前記開口部の輪郭形状の寸法に対して、０．５以上１．０以下の寸法比で形成されることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタヘッド。
3. 前記圧電板は、
   前記圧力室の前記開口部の輪郭形状の中心位置と該圧電板の外周部の中心位置とが略一致する位置で、前記振動伝達板上に設けられることを特徴とする請求項２記載のインクジェットプリンタヘッド。
4. 前記圧電板の前記外周部は、
   矩形状の輪郭を有することを特徴とする請求項３記載のインクジェットプリンタヘッド。
5. 前記圧電板の前記外周部は、
   前記圧力室の前記開口部の輪郭形状と相似関係にある矩形状の輪郭を有することを特徴とする請求項４記載のインクジェットプリンタヘッド。
6. 前記圧電板の前記外周部は、
   前記圧力室の前記開口部の輪郭形状と略同一の輪郭形状を有することを特徴とする請求項５記載のインクジェットプリンタヘッド。
7. 前記圧電板の前記外周部は、
   円形状の輪郭を有することを特徴とする請求項３記載のインクジェットプリンタヘッド。
8. 前記圧電板の前記外周部は、
   前記圧力室の前記開口部の輪郭形状に、少なくとも一部の円周が、前記下部電極と前記振動伝達板とを介して重畳する円形状の輪郭を有することを特徴とする請求項７記載のインクジェットプリンタヘッド。
9. 前記圧電板は、
   前記圧力室の前記開口部の輪郭形状に、前記下部電極と前記振動伝達板とを介して重畳する円形状の輪郭を有することを特徴とする請求項８記載のインクジェットプリンタヘッド。
10. 前記圧電板の前記外周部は、
    楕円形状の輪郭を有することを特徴とする請求項３記載のインクジェットプリンタヘッド。
11. 前記圧電板の外周部は、
    前記圧力室の前記開口部の輪郭形状に、少なくとも一部の円周が、前記下部電極と前記振動伝達板とを介して重畳するような楕円形状の輪郭を有することを特徴とする請求項１０記載のインクジェットプリンタヘッド。
12. 前記圧電板の前記外周部は、
    前記圧力室の前記開口部の輪郭形状に、前記下部電極と前記振動伝達板とを介して重畳するような楕円形状であることを特徴とする請求項１１記載のインクジェットプリンタヘッド。
13. 前記凹み部は、
    前記圧力室の前記開口部の輪郭形状の寸法に対して、０．５未満の寸法比で形成されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタヘッド。
14. 前記凹み部は、
    前記振動伝達板の輪郭から所定の幅を隔てて、該輪郭に沿って形成される溝であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタヘッド。
15. 前記振動伝達板は、
    前記溝により囲まれた内側部分の形状が矩形であることを特徴とする請求項１４記載のインクジェットプリンタヘッド。
16. 前記振動伝達板は、
    前記溝により囲まれた内側部分の形状が円形または楕円形であることを特徴とする請求項１４記載のインクジェットプリンタヘッド。
17. 前記凹み部は、
    前記接合面における前記振動伝達板の各辺に沿って形成されることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタヘッド。
18. 前記凹み部は、
    前記接合面における前記振動伝達板の各隅を跨ぐように形成されることを特徴とする請求項１７記載のインクジェットプリンタヘッド。
19. 前記振動伝達板は、
    前記凹み部の一部もしくは複数がインク導入路であることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタヘッド。
20. 上部電極と圧電板と下部電極と振動伝達板と圧力室とを備えるインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータにおいて、
    前記圧力室は、
    前記振動伝達板との接合面における短径と長径との辺長比を０．８以上１．０以下とする矩形状の輪郭を有し、
    前記圧電板は、
    前記接合面における前記圧力室の内壁輪郭形状より内側となる位置で、前記振動伝達板上に設けられ、
    前記振動伝達板は、前記圧力室との接合面において、前記振動伝達板の輪郭に沿って、少なくとも回転対称となる４箇所に凹み部が形成されていることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
21. 前記圧電板は、
    前記圧力室の内壁輪郭形状の寸法に対して、０．５以上１．０以下の寸法比で形成されることを特徴とする請求項２０記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
22. 前記圧電板は、
    前記接合面における前記圧力室の輪郭形状の中心位置と該圧電板の輪郭形状の中心位置とが略一致する位置で、前記振動伝達板上に設けられることを特徴とする請求項２１記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
23. 前記圧電板は、
    矩形状の輪郭を有することを特徴とする請求項２２記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
24. 前記圧電板は、
    前記圧力室の輪郭形状と相似関係にある矩形状の輪郭を有することを特徴とする請求項２３記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
25. 前記圧電板は、
    前記圧力室の内壁輪郭形状と略同一の輪郭を有することを特徴とする請求項２４記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
26. 前記圧電板は、
    円形状の輪郭を有することを特徴とする請求項２２記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
27. 前記圧電板は、
    前記圧力室の輪郭形状に少なくとも一部の円周が、前記下部電極と前記振動伝達板とを介して重畳するような円形状の輪郭を有することを特徴とする請求項２６記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
28. 前記圧電板は、
    前記圧力室の輪郭形状に、前記下部電極と前記振動伝達板とを介して重畳するような円形状の輪郭を有することを特徴とする請求項２７記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
29. 前記圧電板は、
    楕円形状の輪郭を有することを特徴とする請求項２２記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
30. 前記圧電板は、
    前記圧力室の輪郭形状に少なくとも一部の円周が、前記下部電極と前記振動伝達板とを介して重畳するような楕円形状の輪郭を有することを特徴とする請求項２９記載の圧電／電歪アクチュエータ。
31. 前記圧電板は、
    前記圧力室の輪郭形状に、前記下部電極と前記振動伝達板とを介して重畳するような楕円形状であることを特徴とする請求項３０記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
32. 前記凹み部は、
    前記圧力室の内壁輪郭形状の寸法に対して、０．５未満の寸法比で形成されることを特徴とする請求項２０から３１のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
33. 前記凹み部は、
    前記振動伝達板の輪郭から所定の幅を隔てて、該輪郭に沿って形成される溝であることを特徴とする請求項２０から３２のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
34. 前記振動伝達板は、
    前記溝により囲まれた内側部分の形状が矩形であることを特徴とする請求項３３記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
35. 前記振動伝達板は、
    前記溝により囲まれた内側部分の形状が円形または楕円形であることを特徴とする請求項３３記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
36. 前記凹み部は、
    前記接合面における前記振動伝達板の各辺に沿って形成されることを特徴とする請求項２０から３５のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
37. 前記凹み部は、前記接合面における前記振動伝達板の各隅を跨ぐように形成されることを特徴とする請求項３６記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。
38. 前記振動伝達板は、
    前記凹み部の一部もしくは複数がインク導入路であることを特徴とする請求項２０から３７のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタヘッド用の圧電／電歪アクチュエータ。

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