JP2003250281A - 積層型圧電素子及びその製造方法、圧電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド並びにインクジェット記録装置 - Google Patents

積層型圧電素子及びその製造方法、圧電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド並びにインクジェット記録装置

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JP2003250281A JP2002047371A JP2002047371A JP2003250281A JP 2003250281 A JP2003250281 A JP 2003250281A JP 2002047371 A JP2002047371 A JP 2002047371A JP 2002047371 A JP2002047371 A JP 2002047371A JP 2003250281 A JP2003250281 A JP 2003250281A
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 全チャンネル駆動時と1チャンネル駆動時と
で動作特性にバラツキが生じる。 【解決手段】 駆動部25の容量をC(F)、複数の駆
動部25の数をn(個)、両端の非駆動部(共通電極取
り出し部)26間の抵抗をR(Ω)としたとき、R≦8
×10−6/n/C、が成り立つ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は 積層型圧電素子及びそ
の製造方法、圧電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド並
びにインクジェット記録装置に関する。
【0002】
【従来の技術】プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プ
ロッタ等の画像記録装置(画像形成装置)として用いる
インクジェット記録装置は、インク滴を吐出するノズル
と、このノズルが連通する液室(インク流路、吐出室、
圧力室、加圧液室、流路等とも称される。)と、この液
室内のインクを加圧するための駆動手段(圧力発生手
段)とを備えた液滴吐出ヘッドとしてのインクジェット
ヘッドを搭載したものである。なお、液滴吐出ヘッドと
しては例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐
出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出
ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを
中心に説明する。
【0003】インクジェットヘッドとしては、液室内の
インクを加圧する圧力を発生するための圧力発生手段と
して圧電体、特に圧電層と内部電極を交互に積層した積
層型圧電素子を用いて、積層型圧電素子のd33方向の
変位で液室の壁面を形成する弾性変形可能な振動板を変
形させ、液室内容積/圧力を変化させてインク滴を吐出
させるいわゆるピエゾ型のものが知られている。
【0004】このような積層型圧電素子を用いたインク
ジェットヘッドとしては、例えば特開平10−2869
51号公報に記載されているように、圧電層と内部電極
とを交互に積層し、両端面に個別側外部電極及び共通側
外部電極を形成した積層型圧電素子に、一部を残して溝
加工を施すことによって複数の駆動部(駆動チャンネ
ル)と両端の非駆動部とを形成し、この積層型圧電素子
の共通電極を駆動部の並び方向両端の非駆動部から取出
すようにしたものがある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年におい
て、インクジェット記録装置は、高画質、高速化が要求
されており、高速化するための手段として、ヘッドの副
走査方向のノズル数を増加させ、キャリッジの主走査方
向1スキャンで副走査方向に広幅で印字することが行わ
れる。
【0006】ところが、上述した積層型圧電素子を用い
たインクジェットヘッドのように、各駆動部の共通電極
を圧電体の長さ方向両端の非駆動部から取出すようにし
た場合、高速化のために積層型圧電素子を長尺化して駆
動部(駆動チャンネル)の数を増加すると、駆動チャン
ネル数の増加につれて各駆動チャンネルから共通電極取
り出し部(両端の非駆動部)までの導通距離が長くな
り、その結果、共通電極の抵抗が増大する。特に、積層
型圧電素子にハーフカットを施して複数の駆動部を形成
する場合には、共通側外部電極は溝加工されないで残っ
ている部分となり、幅の狭い部分が長く存在して共通電
極の抵抗値が増大する。
【0007】ここで、すべての駆動チャンネルを駆動す
るとき1つの駆動チャンネルのみを駆動するときとで
は、駆動チャンネルにかかる駆動電圧の時定数に差が生
じる。この駆動電圧の時定数は、駆動チャンネル数が多
いほど大きくなり、また共通電極の抵抗値が大きいほど
駆動チャンネル数によって変化することになる。
【0008】このように駆動電圧の時定数が変化する
と、インク滴の噴射特性、特にインク滴速度が変化し、
着弾位置が変化することになるので、すべての駆動チャ
ンネルを駆動するとき1つの駆動チャンネルを駆動する
ときの時定数の差が大きくなると、特に600dpi程
度の高密度画像を印字する場合に画像品質の劣化が大き
くなる。
【0009】そのため、上述した従来の積層型圧電素子
を用いたインクジェットヘッドでは、共通電極の抵抗値
が大きいために特に600dpi程度の高密度画像を印
字する場合に高画像品質が得られないという課題があ
る。
【0010】本発明は上記の課題に鑑みてなされたもの
であり、全チャンネル駆動時と1チャンネル駆動時の駆
動電圧の時定数の差を小さくした積層型圧電素子及びそ
の製造方法、バラツキの少ない動作特性が得られる圧電
型アクチュエータ、安定した噴射特性の得られる液滴吐
出ヘッド、高画質記録が可能なインクジェット記録装置
を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る積層型圧電素子は、溝によって分割さ
れた複数の駆動部を有し、複数の駆動部の共通電極を並
び方向両端の非駆動部より引き出す構成であって、駆動
部の容量をC(F)、複数の駆動部の数をn(個)、両
端の共通電極取り出し部間の抵抗をR(Ω)としたと
き、次の(1)式が成り立つ構成としたものである。
【0012】
【数2】
【0013】本発明に係る積層型圧電素子は、溝によっ
て分割された複数の駆動部を有し、複数の駆動部の共通
電極を並び方向両端の非駆動部より引き出す構成であっ
て、溝によって分割されないで各駆動部の共通側外部電
極に接続された導通用内部電極を有する構成としたもの
である。
【0014】ここで、導通用内部電極の形状は溝加工前
の内部電極の形状と略同じであることが好ましい。ま
た、導通用内部電極は複数層設けられていることが好ま
しい。
【0015】本発明に係る積層型圧電素子は、溝によっ
て分割された複数の駆動部を有し、複数の駆動部の共通
電極を並び方向両端の非駆動部より引き出す構成であっ
て、溝によって分割されない面には各駆動部の共通側外
部電極に接続される導通用外部電極を有する構成とした
ものである。
【0016】本発明に係る積層型圧電素子の製造方法
は、本発明に係る積層型圧電素子を製造する方法であっ
て、内部電極群に対して積層方向に略対称な形状を有す
る圧電層からなるダミー部を形成した部材を基板に固定
した後、ダミー部を除去するものである。
【0017】ここで、ダミー部には導通用内部電極に対
応するダミー内部電極を設けることが好ましい。この場
合、ダミー部にはダミー部除去後に最も表面に近い内部
電極と対称形状をなすダミー内部電極を設けるが好まし
い。
【0018】本発明に係る圧電型アクチュエータは、可
動部分を変形させる本発明に係る積層型圧電素子を備え
たものである。
【0019】本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液室内の
液体を加圧する本発明に係る本発明に係る圧電型アクチ
ュエータを備えたものである。
【0020】本発明に係るインクジェット記録装置は、
インク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドを備え
たものである。
【0021】本発明に係るインクジェット記録装置は、
溝によって分割された複数の駆動部を有し、複数の駆動
部の共通電極を並び方向両端の非駆動部より引き出す構
成の積層型圧電素子で液室を加圧してインク滴を吐出さ
せ、積層型圧電素子のすべての駆動部を駆動したときに
かかる電圧の時定数と1つの駆動部を駆動したときにか
かる電圧の時定数との差が2μsecを越えない構成とし
たものである。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。本発明の第1実施形態に係る
液滴吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドについて
図1を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの液室
長手方向に沿う断面説明図である。
【0023】このインクジェットヘッドは、単結晶シリ
コン基板で形成した流路基板(液室基板)1と、この流
路基板1の下面に接合した振動板2と、流路基板1の上
面に接合したノズル板3とを有し、これらによってイン
ク滴を吐出するノズル5がインク練通路5aを介して連
通する流路(インク液室)である加圧液室6、加圧液室
6に流体抵抗部となるインク供給路7を介してインクを
供給する共通液室8を形成している。
【0024】ここで、流路基板1は、結晶面方位(11
0)の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶液(K
OH)などのアルカリ性エッチング液を用いて異方性エ
ッチングすることで、インク連通5aとなる貫通孔、各
加圧液室6、インク供給路7、共通液室8となる凹部を
それぞれ形成している。
【0025】振動板2は例えばニッケルの金属プレート
から形成したものであるが、この他、樹脂部材或いは樹
脂部材と金属部材の積層部材などで形成することができ
る。
【0026】ノズル板3は各加圧液室6に対応して直径
10〜30μmのノズル5を形成し、流路基板1に接着
剤接合している。このノズル板3としては、ステンレ
ス、ニッケルなどの金属、金属とポリイミド樹脂フィル
ムなどの樹脂との組み合せ、、シリコン、及びそれらの
組み合わせからなるものを用いることができる。また、
ノズル面(吐出方向の表面:吐出面)には、インクとの
撥水性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コ
ーティングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。
【0027】そして、振動板2の面外側(液室6と反対
面側)に各加圧液室6に対応して駆動手段としての積層
型圧電素子12を接合している。これらの振動板2と積
層型圧電素子12によって可動部分である振動板2を変
形させる圧電型アクチュエータを構成している。
【0028】この積層型圧電素子12は振動板2との接
合面との反対側の面はベース(基台)13に接着剤で接
合して固定し、一端面には積層型圧電素子12に駆動波
形を与えるためのFPCケーブル14を接続している。
【0029】ここでは、1つの長尺の圧電素子にスリッ
トを形成することで各加圧液室6に対応する複数の圧電
素子2を形成している。なお、本明細書において「圧電
素子の全体の長さ」は各圧電素子2を形成する元になっ
た長尺の圧電素子の長さを意味するものとする。
【0030】ここでは、圧電素子12の圧電方向として
d33方向の変位を用いて加圧液室6内インクを加圧す
る構成とすることも、圧電素子12の圧電方向としてd
31方向の変位を用いて加圧液室6内インクを加圧する
構成とすることもできる。
【0031】この圧電素子12は振動板2との接合面と
の反対側の面はベース13に接着剤27で接合して固定
している。このベース13には圧電素子12との接合面
に対して垂直方向の面にPCB基板14を接着剤を接合
し、更に圧電素子12の個別側外部電極25とPCB基
板14とをワイヤー15で直接ワイヤーボンディングに
よって接続している。
【0032】ベース13の材質(材料)は金属材料を用
いることが好ましい。ベース13の材質が金属であれ
ば、積層型圧電素子12の自己発熱による蓄熱を防止す
ることができる。積層型圧電素子12とベース13は接
着剤により接着接合しているが、チャンネル数が増える
と、積層型圧電素子12の自己発熱により100℃近く
まで温度が上昇し、接合強度が著しく低下することにな
る。また、自己発熱によりヘッド内部の温度上昇が発生
し、インク温度が上昇するが、インクの温度が上昇する
と、インク粘度が低下し、噴射特性に大きな影響を与え
る。したがって、ベース13を金属材料で形成して積層
型圧電素子12の自己発熱による蓄熱を防止すること
で、これらの接合強度の低下、インク粘度の低下による
噴射特性の劣化を防止することができる
【0033】さらに、ベース13の線膨張係数が大きい
と、高温または低温でベース13と積層型圧電素子12
の接合界面で接着剤の剥離が発生することがある。すな
わち、従前は圧電素子の全長が長くなかったため、環境
変動による温度差で圧電素子とベース13が剥離すると
いう問題はほとんどなかったが、300dpiで約40
0ノズル程度を有する全体で30〜40mm程度の長さ
の圧電素子を用いることでこの問題が顕在化された。
【0034】したがって、ベース13の材料としては線
膨張係数が10E−6/℃以下の材質を用いることが好
ましく、この線膨張係数の範囲にすることにより、環境
変動による温度差で、圧電素子との接合界面が剥離する
ことを防止できる。特に、圧電素子に接着接合される部
品の線膨張係数を全て10E−6/℃以下にすると、接
合界面の剥離に対し、非常に効果的であることを確認し
た。
【0035】また、FPCケーブル14には各チャンネ
ル(各加圧液室6に対応する)を駆動する駆動波形(電
気信号)を印加するためのドライバIC16を複数搭載
している。このように、FPCケーブル14に複数のド
ライバIC16を搭載することにより、各ドライバIC
16毎に電気信号を設定することができ、積層型圧電素
子12の各駆動チャンネルの変位特性のばらつきを容易
に補正することができるようになる。
【0036】すなわち、圧電素子の長尺化に伴い、チャ
ンネル間の変位量ばらつきが大きくなることが顕在化し
てきているので、複数のドライバIC16を搭載するこ
とにより、長尺化した積層型圧電素子12のチャンネル
方向(並び方向)の変位量ばらつきを電圧により補正し
て、噴射特性の均一化を図ることができるようになる。
【0037】さらに、振動板2の周囲にはフレーム17
を接着剤で接合している。そして、このフレーム17に
は、ドライバIC16と少なくともベース13を挟んで
反対側に配置されるように、共通液室8に外部からイン
クを供給するためのインク供給路18を形成している。
このインク供給路18は振動板2の貫通穴2aを介して
共通液室8に連通している。
【0038】このように積層型圧電素子12に接続する
FPCケーブル14と反対の側からインクを供給するこ
とにより、ドライバIC16とインク供給路18、共通
液室8、流体抵抗部7とを反対側に配置することが可能
になり、ドライバIC16の発熱によるインクの温度上
昇を防止することができる。
【0039】すなわち、前述したように、ドライバIC
16の発熱は、チャンネル数や駆動波形によっても違い
があるが、積層型圧電素子12の長尺化にともなって1
00℃前後に達し、この発熱によってインクの温度が上
昇すると、インクの粘度が低下し、噴射特性に大きな影
響を及ぼすことになるので、ドライバIC16の温度上
昇によるインク粘度の低下は絶対に避けなければならな
い。従来は、チャンネル数が少ないため、ドライバIC
の発熱はさほど大きな問題ではなかったが、ヘッドの長
尺化に伴って温度上昇によるインクの低粘度化が大きな
問題となってきているので、上記構成を採用することに
よってこの問題を解決することができる。
【0040】ここで、積層型圧電素子12の詳細につい
て図2ないし図7を参照して説明する。なお、図2は前
記ヘッドの積層型圧電素子部分の液室短手方向に沿う説
明図、図3は図2のA−A線に沿う断面説明図、図4は
図2のB−B線に沿う断面説明図、図5は内部電極パタ
ーンの平面説明図、図6は同積層型圧電素子部分の共通
電極側からの斜視説明図、図7は同積層型圧電素子部分
の個別電極側からの斜視説明図である。
【0041】この積層型圧電素子12は、圧電層(圧電
材料層)21と図5(a)、(b)に示すようなパター
ン形状を有する内部電極22A及び内部電極22Bとを
交互に積層し、両端面に共通側外部電極23と個別側外
部電極24とを設けた状態で、スリット加工(溝加工)
を施して、複数の駆動部25と両端の非駆動部26とを
形成したものである。
【0042】この溝加工では、積層型圧電素子12に対
してベース13までスリットを入れずに底部に深さ方向
の幅Dの架橋部27を残して加工している。また、積層
型圧電素子12の個別側外部電極24側には駆動部25
の並び方向に沿う切り欠き部28を形成している。
【0043】したがって、各駆動部25の内部電極22
Aは共通側外部電極23に接続され、この共通側外部電
極23は架橋部27によって分割されていないので、各
駆動部25の内部電極22Aは共通側外部電極23を介
して両端の非駆動部26の内部電極22Aと接続され、
更に非駆動部26の内部電極22Aは図4に示すように
個別側外部電極24側端面に引き出されているので、こ
の個別側外部電極24側の端面にFPCケーブル14を
接続することによって、積層型圧電素子12の一端面で
共通電極と個別電極とを取り出すことができる。
【0044】このように構成したインクジェットヘッド
においては、積層型圧電素子12の駆動部25に対して
選択的に20〜50Vの駆動パルス電圧を印加すること
によって、パルス電圧が印加された駆動部25が積層方
向に伸びて振動板2をノズル5方向に変形させ、加圧液
室6の容積/体積変化によって加圧液室6内のインクが
加圧され、ノズル5からインク滴が吐出(噴射)され
る。
【0045】そして、インク滴の吐出に伴って加圧液室
6内の液圧力が低下し、このときのインク流れの慣性に
よって加圧液室6内には若干の負圧が発生する。この状
態の下において、積層型圧電素子12への電圧の印加を
オフ状態にすることによって、振動板2が元の位置に戻
って加圧液室6が元の形状になるため、さらに負圧が発
生する。このとき、インク供給路18から共通液室8、
流体抵抗部であるインク供給路7を経て加圧液室6内に
インクが充填される。そこで、ノズル5のインクメニス
カス面の振動が減衰して安定した後、次のインク滴吐出
のために積層型圧電素子12にパルス電圧を印加しイン
ク滴を吐出させる。
【0046】ここで、駆動波形発生部から積層型圧電素
子12までの電気回路の等価回路は、図8に示すよう
に、各駆動部(駆動チャンネル)25は抵抗Ron(Ω)
と容量C(F)の直列回路となり、各駆動部25間は抵
抗Rc(Ω)で結合されたものとなる。これを簡略化し
て、図9に示すように、各非駆動部26と駆動部25と
の間に共通電極抵抗Rcom(Ω)が介在した等価回路と
する。
【0047】この回路において、図10に示すようにパ
ルス状駆動電圧Pvを印加するとき、駆動部25の個数
(駆動チャンネル数)をn個(nチャンネル)とし、n
チャンネルのうちの1チャンネルだけを駆動するときに
当該チャンネルの駆動部25に印加される駆動電圧Pv
の時定数τ1(sec)は、次の(2)式で表される。
【0048】
【数3】
【0049】また、n個すべてのチャンネルを駆動する
ときに駆動部25に印加される駆動電圧Pvの時定数τ
all(sec)は、次の(3)式で表される。
【0050】
【数4】
【0051】したがって、すべてのチャンネルを駆動し
たときと1チャンネルだけ駆動したときの時定数の差Δ
τは、次の(4)式で求められる。
【0052】
【数5】
【0053】この(4)式から分かるように、駆動チャ
ンネル数nが多いほど、また共通電極抵抗Rcomが大き
いほど駆動チャンネル数nによって駆動時定数τが変わ
ることとなる。つまり、インク滴の噴射特性が変化して
しまうこととなる.
【0054】一方、この時定数τの変化によって影響を
受けるインク滴吐出特性は主に吐出速度Vjである。こ
の吐出速度Vjが変化すると、ヘッドから用紙(液滴が
着弾する媒体)にインク滴が着弾するまでの時間が変化
することになり、ヘッドは主走査方向に移動しているの
で、最終的にドットの主走査方向の位置ずれとなって現
れることになる。
【0055】ここで、600dpiの画像を記録する場
合、ラインのずれ(Δdot)が約1ドット、距離にし
て42.3μmを越えると、視認できる程度の位置ずれ
となるので、42.3μm以下のずれの範囲内にするこ
とが高画質化の上で好ましい。
【0056】そこで、全チャンネル駆動時の吐出速度を
Vjall、1チャンネル駆動時の吐出速度をVj1とする
と、ノズルと用紙との間の距離をLとしたとき、ノズル
−用紙間のインク飛翔時間の差ΔTは、次の(5)式で
表される。
【0057】
【数6】
【0058】また、ドットのずれ量Δdotは、主走査速
度をVsとしたとき、次の(6)式で表される。
【0059】
【数7】
【0060】よって、全チャンネル駆動時の滴吐出速度
Vjallは、次の(7)式を満足することが必要にな
る。
【0061】
【数8】
【0062】そこで、主走査速度Vsを0.4m/s
(600dpi)、ノズル−用紙間の距離Lを0.00
1mとして、駆動電圧Pvの立ち上げ時間(μsec)に
対する吐出速度Vj(m/sec)を測定したところ、図
11に示すような特性が得られた。
【0063】ここで、1チャンネル駆動時の吐出速度V
j1を10m/sec(τ1=約2μsec)に設定すると、
Δdotを前記のとおり、42.3μm以下に設定するた
めには、上記の測定結果から、全チャンネル駆動時の吐
出速度Vjallを4.86m以上にする必要があるの
で、全チャンネル駆動時の時定数τallは約4μsecに設
定する。
【0064】よって、すべてのチャンネルを駆動したと
きと1チャンネルだけ駆動したときの時定数の差Δτ
を、Δτ≦τall−τ1=2μsecに設定することが好ま
しい。すなわち、すべてのチャンネルを駆動したときと
1チャンネルだけ駆動したときの時定数の差Δτを2μ
sec以下に設定することにより、特に600dpi程度
の画像を記録するときのドット位置ずれによる画像品質
の低下を抑制することができる。
【0065】そこで、このインクジェットヘッドの積層
型圧電素子12においては、駆動部25の容量をC
(F)、複数の駆動部25の数をn(個)、両端の共通
電極取り出し部間(非駆動部26間)の抵抗をR(Ω)
としたとき、次の(1)式が成り立つようにしている。
【0066】
【数9】
【0067】すなわち、前記(4)式より、噴射特性
上,Δτ<2μsecとするためには、次の(8)式が成
り立つことが必要である。
【0068】
【数10】
【0069】長尺のアクチュエータで、nが充分に大き
い場合(n/2−1)はn/2とみなせるので、上記
(8)式は、次の(9)式に変形することができる。
【0070】
【数11】
【0071】ここで、積層型圧電素子12の共通電極取
り出し部間の抵抗RはRcomの2倍であるので、上記
(9)式は、前記(1)式で表すことができる。
【0072】これによって、このインクジェットヘッド
は1チャンネル駆動時と全チャンネル駆動時とで積層型
圧電素子12に印加される駆動電圧Pvの時定数の差が
2μsec以下となり、噴射特性の差が減少し、安定した
高画質画像が得られるようになる。
【0073】次に、本発明の第2実施形態に係る液滴吐
出ヘッドとしてのインクジェットヘッドについて図12
及び図13を参照して説明する。なお、図12は同ヘッ
ドの積層型圧電素子部分の液室長手方向に沿う断面説明
図、図13は同積層型圧電素子部分の液室短手方向(駆
動部の並び方向)に沿う説明図、図14は同積層型圧電
素子の導通用内部電極パターンの平面説明図である。
【0074】この積層型圧電素子12は、溝加工で分割
されない架橋部27内に図14に示すような積層型圧電
素子12外形と同じパターン形状の導通用内部電極30
を設けたものである。この導通用内部電極30は積層型
圧電素子12を作製するときに、圧電層21となるグリ
ーンシートに内部電極22A、22Bを印刷形成して積
層するときに、圧電層21間に導通用内部電極30をも
印刷形成することで容易に架橋部27内に設けることが
できる。
【0075】この導通用内部電極30は溝加工後の各駆
動部25の位置で共通側外部電極23に接続されたまま
残っているので、共通電極側の電流経路の幅が大幅に広
くなり、共通電極抵抗を低減することができる。なお、
導通用内部電極30は溝加工後の駆動部25の共通側外
部電極23に接続される形状であればよいが、幅が広い
方が目的とする共通電極抵抗の低減効果が大きくなる。
【0076】このように溝加工で分割されない導通用内
部電極を設けて共通側外部電極と接続されたものとする
ことにより、共通電極抵抗が低減して、前述したように
1チャンネル駆動時と全チャンネル駆動時とで積層型圧
電素子12に印加される駆動電圧Pvの時定数の差を2
μsec以下とすることができ、噴射特性の差が減少し、
安定した高画質画像が得られるようになる。
【0077】次に、本発明の第3実施形態に係る液滴吐
出ヘッドとしてのインクジェットヘッドについて図15
及び図16を参照して説明する。なお、図15は同ヘッ
ドの積層型圧電素子部分の液室長手方向に沿う断面説明
図、図16は同積層型圧電素子の導通用内部電極パター
ンの平面説明図である。この積層型圧電素子12は、溝
加工で分割されない架橋部27内に、図16に示すよう
に、共通側外部電極23に接続する内部電極22Aと同
じパターン形状の導通用内部電極31を設けたものであ
る。
【0078】これにより、導通用内部電極用の特別の印
刷パターンを用意する必要がなくなり、製造上の設備が
簡単になる。
【0079】次に、本発明の第4実施形態に係る液滴吐
出ヘッドとしてのインクジェットヘッドについて図17
を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの積層型圧
電素子部分の液室長手方向に沿う断面説明図である。こ
の積層型圧電素子12は、溝加工で分割されない架橋部
27内に複数層(ここでは、3層の例)の共通側外部電
極23に導通用内部電極30を設けたものである。な
お、導通用内部電極としては第3実施形態の導通用内部
電極31のパターン形状のもの、或いはそれ以外の形状
のものでもよい。
【0080】このように導通用内部電極を複数層にする
ことで、更に共通電極抵抗を低減することができる。特
に、通常内部電極の厚みには製法上制限があり、抵抗値
を下げるため容易に厚くしたりすることができない。ま
た、一般に内部電極はパラジウムと銀の合金であるが,
外部電極に使用する金や銅などに比べ,体積抵抗値が高
い。そのため、1層の導通用内部電極では共通電極抵抗
の低減に限界がある。この実施形態のように複数層の導
通用内部電極を設けても、内部電極の層間の厚さは約2
0μm程度に薄くできるため、圧電体の厚みが増えるな
どの弊害が少ない。
【0081】次に、本発明に係る積層型圧電素子の製造
方法の第1実施形態について図18を参照して説明す
る。なお、同図は同製造方法の説明に供する加工前の積
層型圧電素子を説明する説明図である。この実施形態の
製造方法では、内部電極22A、22Bの群に対して積
層方向に略対称な形状の圧電層からなるダミー部33を
設けた部材(これを「加工前積層型圧電素子」とい
う。)32を形成し、この加工前積層型圧電素子32を
ベース13に固定した後、図中の仕上がり線Cまでダミ
ー部33を研削加工することによって、図12で説明し
た積層型圧電素子12を形成する。なお、図15或いは
図17で説明した積層型圧電素子12とすることもでき
る。
【0082】これにより、積層型圧電素子の焼成時、分
極時に発生する反りを低減することができ、ヘッド製造
時の積層型圧電素子の反りによる問題、例えば圧電体を
エア吸引にて保持出来ない、あるいはベースとの接着時
に反り方向に応力がかかることによる接着剥がれ等を防
止することができる。
【0083】次に、本発明に係る積層型圧電素子の製造
方法の第2実施形態について図19を参照して説明す
る。なお、同図は同製造方法の説明に供する加工前の積
層型圧電素子を説明する説明図である。この実施形態の
製造方法では、前記加工前積層型圧電素子32のダミー
部33に、導通用内部電極30と略対称な位置に導通用
内部電極30と略同じパターン形状のダミー内部電極3
5を形成している。なお、図15で説明した積層型圧電
素子12を形成する場合には、導通用内部電極31と略
対称な位置に同電極31と略同様なパターン形状のダミ
ー内部電極35とすることが好ましい。同様に導通用内
部電極30を複数層とする場合にはダミー内部電極35
も複数層とすることが好ましい。
【0084】これにより、上記第1実施形態に係る製造
方法よりも更に加工前積層型圧電素子の対称性が向上す
るので、積層型圧電素子の焼成時、分極時に発生する反
りを一層低減することができ、ヘッド製造時の積層型圧
電素子の反りによる問題、例えば圧電体をエア吸引にて
保持出来ない、あるいはベースとの接着時に反り方向に
応力がかかることによる接着剥がれ等を防止することが
できる。
【0085】次に、本発明に係る積層型圧電素子の製造
方法の第3実施形態について図20を参照して説明す
る。なお、同図は同製造方法の説明に供する加工前の積
層型圧電素子を説明する説明図である。この実施形態の
製造方法では、前記加工前積層型圧電素子32のダミー
部33に、加工後に最も表面に近い内部電極22Aaと
交互になるダミー内部電極36、ここでは内部電極22
Bと同形状のダミー電極36を形成している。また、導
通用内部電極31は前記のとおり内部電極22Aと同じ
パターン形状のものである。
【0086】このようなダミー内部電極とすることによ
り内部電極の積層順番のパターンを単純にすることがで
きて、作製時に無駄にする内部電極を少なくすることが
できる。
【0087】すなわち、ダミー内部電極36の形状を内
部電極22Bと同じ形状にして、導通用内部電極31の
形状を内部電極22Aと同じ形状にした場合、内部電極
の積層順は、上から図21(a)に示すようになる。
尚、図中、「A」は内部電極22Aの形状の電極、
「B」は内部電極22Aの形状の電極を表している。一
般に、内部電極の形状が2種類で有る場合、電極の印刷
手順は工法上交互になる。この例では、1つの圧電素子
に電極A,電極Aの部分が1箇所あるために、その間に
ある電極B一層が無駄になる。
【0088】これに対して、ダミー内部電極36の形状
も内部電極22Aと同じ形状にして、導通用内部電極3
1の形状を内部電極22Aと同じ形状にした場合、内部
電極の積層順は、上から図21(b)に示すようにな
り、1つの圧電素子に電極A,電極Aの部分が2箇所、
前後の圧電素子の間で1箇所の合計3箇所になるため、
1つの圧電素子当たり3層の電極Bが無駄になる。
【0089】次に、本発明の第5実施形態に係る液滴吐
出ヘッドとしてのインクジェットヘッドについて図22
を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの積層型圧
電素子部分の液室長手方向に沿う断面説明図である。こ
の積層型圧電素子12は、溝加工で分割されない面に共
通側外部電極23に接続した積層型圧電素子12と同じ
平面形状の導通用外部電極40を設けたものである。
【0090】この導通用外部電極40は溝加工によって
分割されないので共通電極側の電流経路の幅が大幅に広
くなり、共通電極抵抗を低減することができる。なお、
導通用外部電極40は溝加工後の駆動部25の共通側外
部電極23に接続される形状であればよいが、幅が広い
方が目的とする共通電極抵抗の低減効果が大きくなる。
【0091】このように溝加工で分割されない導通用外
部電極を設けて共通側外部電極と接続されたものとする
ことにより、共通電極抵抗が低減して、前述したように
1チャンネル駆動時と全チャンネル駆動時とで積層型圧
電素子12に印加される駆動電圧Pvの時定数の差を2
μsec以下とすることができ、噴射特性の差が減少し、
安定した高画質画像が得られるようになる。
【0092】次に、本発明の第6実施形態に係る液滴吐
出ヘッドとしてのインクジェットヘッドについて図23
を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの積層型圧
電素子部分の液室長手方向に沿う断面説明図である。こ
のインクジェットヘッドは、ノズル5、加圧液室6など
の液室、積層型圧電素子12を2列配置した構成であ
る。積層型圧電素子12としては前記第2実施形態で説
明したものを用いているが、その他の実施形態で説明し
たものを用いることもできる。
【0093】次に、このようなインクジェットヘッドを
塔載した本発明に係るインクジェット記録装置の一例に
ついて図24及び図25を参照して説明する。なお、図
24は同記録装置の斜視説明図、図25は同記録装置の
機構部の側面説明図である。
【0094】このインクジェット記録装置は、記録装置
本体111の内部に主走査方向に移動可能なキャリッ
ジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェット
ヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給
するインクカートリッジ等で構成される印字機構部11
2等を収納し、装置本体111の下方部には前方側から
多数枚の用紙113を積載可能な給紙カセット(或いは
給紙トレイでもよい。)114を抜き差し自在に装着す
ることができ、また、用紙113を手差しで給紙するた
めの手差しトレイ115を開倒することができ、給紙カ
セット114或いは手差しトレイ115から給送される
用紙113を取り込み、印字機構部112によって所要
の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ1
16に排紙する。
【0095】印字機構部112は、図示しない左右の側
板に横架したガイド部材である主ガイドロッド121と
従ガイドロッド122とでキャリッジ123を主走査方
向(図28で紙面垂直方向)に摺動自在に保持し、この
キャリッジ123にはイエロー(Y)、シアン(C)、
マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を
吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェ
ットヘッドからなるヘッド124を複数のインク吐出口
を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方
向を下方に向けて装着している。そして、各ヘッド12
4に駆動波形を印加するため、各ヘッド124とコント
ローラ部150との間で信号を送受するためのFPCケ
ーブル14を接続している。
【0096】また、キャリッジ123にはヘッド124
に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ
125を交換可能に装着している。インクカートリッジ
125は上方に大気と連通する大気口、下方にはインク
ジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部には
インクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の
毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインク
をわずかな負圧に維持している。
【0097】また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘ
ッド124を用いているが、各色のインク滴を吐出する
ノズルを有する1個のヘッドでもよい。
【0098】ここで、キャリッジ123は後方側(用紙
搬送方向下流側)を主ガイドロッド121に摺動自在に
嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッ
ド122に摺動自在に載置している。そして、このキャ
リッジ123を主走査方向に移動走査するため、主走査
モータ127で回転駆動される駆動プーリ128と従動
プーリ129との間にタイミングベルト130を張装
し、このタイミングベルト130をキャリッジ123に
固定しており、主走査モーター127の正逆回転により
キャリッジ123が往復駆動される。
【0099】一方、給紙カセット114にセットした用
紙113をヘッド124の下方側に搬送するために、給
紙カセット114から用紙113を分離給装する給紙ロ
ーラ131及びフリクションパッド132と、用紙11
3を案内するガイド部材133と、給紙された用紙11
3を反転させて搬送する搬送ローラ134と、この搬送
ローラ134の周面に押し付けられる搬送コロ135及
び搬送ローラ134からの用紙113の送り出し角度を
規定する先端コロ136とを設けている。搬送ローラ1
34は副走査モータ137によってギヤ列を介して回転
駆動される。
【0100】そして、キャリッジ123の主走査方向の
移動範囲に対応して搬送ローラ134から送り出された
用紙113を記録ヘッド124の下方側で案内する用紙
ガイド部材である印写受け部材139を設けている。こ
の印写受け部材139の用紙搬送方向下流側には、用紙
113を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送
コロ141、拍車142を設け、さらに用紙113を排
紙トレイ116に送り出す排紙ローラ143及び拍車1
44と、排紙経路を形成するガイド部材145,146
とを配設している。
【0101】記録時には、キャリッジ123を移動させ
ながら画像信号に応じて記録ヘッド124を駆動するこ
とにより、停止している用紙113にインクを吐出して
1行分を記録し、用紙113を所定量搬送後次の行の記
録を行う。記録終了信号または、用紙113の後端が記
録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を
終了させ用紙113を排紙する。この場合、ヘッド12
4を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはイン
ク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されている
ので、安定して高い画像品質の画像を記録することがで
きる。
【0102】また、キャリッジ123の移動方向右端側
の記録領域を外れた位置には、ヘッド124の吐出不良
を回復するための回復装置147を配置している。回復
装置147はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手
段を有している。キャリッジ123は印字待機中にはこ
の回復装置147側に移動されてキャッピング手段でヘ
ッド124をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に
保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。
また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出す
ることにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、
安定した吐出性能を維持する。
【0103】吐出不良が発生した場合等には、キャッピ
ング手段でヘッド124の吐出口(ノズル)を密封し、
チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに
気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等
はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復され
る。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された
廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のイ
ンク吸収体に吸収保持される。
【0104】このように、このインクジェット記録装置
においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭
載しているので、全チャンネル駆動時と1チャンネル駆
動時の時定数の差を小さくでき、安定して高品質の画像
を記録することができる。
【0105】なお、上記実施形態においては、液滴吐出
ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明
したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドと
して、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴
吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐
出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。
【0106】また、圧電型アクチュエータとして、イン
クジェットヘッドなどの液滴吐出ヘッドのアクチュエー
タ部(圧力発生手段)に用いた例で説明したが、マイク
ロポンプ、光学デバイス(光変調デバイス)以外にも、
マイクロスイッチ(マイクロリレー)、マルチ光学レン
ズのアクチュエータ(光スイッチ)、マイクロ流量計、
圧力センサなどにも適用することができる。
【0107】さらに、上記実施形態においては、本発明
を振動板変位方向と液滴吐出方向が同じになるサイドシ
ュータ方式のヘッドに適用したが、振動板変位方向とイ
ンク滴吐出方向とが直交するエッジシュータ方式のヘッ
ドにも同様に適用することができる。
【0108】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る本発
明に係る積層型圧電素子によれば、駆動部の容量をC
(F)、複数の駆動部の数をn(個)、両端の共通電極
取り出し部間の抵抗をR(Ω)としたとき、前記(1)
式が成り立つので、全チャンネル駆動時と1チャンネル
駆動時の動作特性のバラツキが低減する。
【0109】本発明に係る積層型圧電素子によれば、溝
によって分割されないで各駆動部の共通側外部電極に接
続された導通用内部電極を有するので、共通電極抵抗が
小さくなって全チャンネル駆動時と1チャンネル駆動時
の動作特性のバラツキを低減することができる。
【0110】ここで、導通用内部電極の形状は溝加工前
の内部電極の形状と略同じにすることで、製造設備の簡
略化を図れる。また、導通用内部電極は複数層設けられ
ていることで、共通電極抵抗がをより小さくすることが
できる。
【0111】本発明に係る積層型圧電素子によれば、溝
によって分割されない面には各駆動部の共通側外部電極
に接続される導通用外部電極を有するので、共通電極抵
抗が小さくなって全チャンネル駆動時と1チャンネル駆
動時の動作特性のバラツキを低減することができる。
【0112】本発明に係る積層型圧電素子の製造方法に
よれば、内部電極群に対して積層方向に略対称な形状を
有する圧電層からなるダミー部を形成した部材を基板に
固定した後、ダミー部を除去するので、圧電素子の反り
を低減することができる。
【0113】ここで、ダミー部には導通用内部電極に対
応するダミー内部電極を設けることで、一層圧電素子の
反りを低減することができる。また、ダミー部にはダミ
ー部除去後に最も表面に近い内部電極と対称形状をなす
ダミー内部電極を設けることで、不要な内部電極を少な
くすることができる。
【0114】本発明に係る圧電型アクチュエータによれ
ば、可動部分を変形させる本発明に係る積層型圧電素子
を備えたので、バラツキの少ない安定した動作特性が得
られる。
【0115】本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、液
室内の液体を加圧する本発明に係る本発明に係る圧電型
アクチュエータを備えたので、バラツキの少ない安定し
た滴吐出特性が得られ、高画質記録が可能になる。
【0116】本発明に係るインクジェット記録装置によ
れば、インク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッド
を備えたので、安定して高画質記録を行うことができ
る。
【0117】本発明に係るインクジェット記録装置によ
れば、積層型圧電素子のすべての駆動部を駆動したとき
にかかる電圧の時定数と1つの駆動部を駆動したときに
かかる電圧の時定数との差が2μsecを越えない構成と
したので、全チャンネル駆動時と1チャンネル駆動時の
滴噴射特性のバラツキを低減することができ、高画質画
像を記録できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る液滴吐出ヘッドの
液室長手方向に沿う断面説明図
【図2】同ヘッドの積層型圧電素子部分の液室長手方向
に沿う断面説明図
【図3】同ヘッドの積層型圧電素子の駆動部部分の液室
短手方向に沿う断面説明図
【図4】同ヘッドの積層型圧電素子の非駆動部部分の液
室短手方向に沿う断面説明図
【図5】同ヘッドの積層型圧電素子の加工前の内部電極
パターンを説明する平面説明図
【図6】同ヘッドの積層型圧電素子部分の共通電極側か
ら見た斜視説明図
【図7】同ヘッドの積層型圧電素子部分の個別電極側か
ら見た斜視説明図
【図8】同ヘッドの積層型圧電素子の等価回路を示す回
路図
【図9】図8の等価回路を簡略した等価回路示す回路図
【図10】全チャンネル駆動時と1チャンネル駆動時の
駆動電圧の時定数の差の説明に供する説明図
【図11】駆動電圧の立ち上げ時間に対する滴吐出速度
の関係の一例を説明する説明図
【図12】本発明の第2実施形態に係る液滴吐出ヘッド
の積層型圧電素子部分の液室長手方向に沿う断面説明図
【図13】同ヘッドの積層型圧電素子部分の液室長手方
向に沿う断面説明図
【図14】同積層型圧電素子の導通用内部電極パターン
の説明図
【図15】本発明の第3実施形態に係る液滴吐出ヘッド
の積層型圧電素子部分の液室長手方向に沿う断面説明図
【図16】同積層型圧電素子の導通用内部電極パターン
の説明図
【図17】本発明の第4実施形態に係る液滴吐出ヘッド
の積層型圧電素子部分の液室長手方向に沿う断面説明図
【図18】本発明の第1実施形態に係る製造工程の説明
に供する液滴吐出ヘッドの積層型圧電素子部分の液室長
手方向に沿う断面説明図
【図19】本発明の第2実施形態に係る製造工程の説明
に供する液滴吐出ヘッドの積層型圧電素子部分の液室長
手方向に沿う断面説明図
【図20】本発明の第3実施形態に係る製造工程の説明
に供する液滴吐出ヘッドの積層型圧電素子部分の液室長
手方向に沿う断面説明図
【図21】同実施形態の作用効果の説明に供する説明図
【図22】本発明の第5実施形態に係る液滴吐出ヘッド
の積層型圧電素子部分の液室長手方向に沿う断面説明図
【図23】本発明の第5実施形態に係る液滴吐出ヘッド
の液室長手方向に沿う断面説明図
【図24】本発明に係るインクジェット記録装置の一例
を説明する斜視説明図
【図25】同記録装置の機構部の側面説明図
【符号の説明】
1…流路基板、2…振動板、3…ノズル板、5…ノズ
ル、6…加圧液室、7…流体抵抗部、8…共通液室、1
2…積層型圧電素子、21…圧電層、22A、22B…
内部電極、23…共通側外部電極、24…個別側外部電
極、25…駆動部、26…非駆動部、30、31…導通
用内部電極、33…ダミー部、35、36…ダミー内部
電極、40…導通用外部電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 41/083 H01L 41/22 Z 41/09 41/08 U 41/22 Q Fターム(参考) 2C057 AF21 AF40 AG12 AG42 AG44 AG47 AG92 AG93 AP02 AP13 AP16 AP25 AP34 AP60 AQ02 AQ06 AR20 BA04 BA14 4D074 AA01 BB05 BB06 DD05 DD09 DD37 DD44

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 溝によって分割された圧電層と内部電極
    とを交互に積層した複数の駆動部を有し、複数の駆動部
    の共通電極を並び方向両端の圧電層と内部電極とを交互
    に積層した非駆動部より引き出す構成の積層型圧電素子
    において、前記駆動部の容量をC(F)、複数の駆動部
    の数をn(個)、両端の共通電極取り出し部間の抵抗を
    R(Ω)としたとき、次の(1)式が成り立つことを特
    徴とする圧電型アクチュエータ。 【数1】
  2. 【請求項2】 溝によって分割された圧電層と内部電極
    とを交互に積層した複数の駆動部を有し、複数の駆動部
    の共通電極を並び方向両端の圧電層と内部電極とを交互
    に積層した非駆動部より引き出す構成の積層型圧電素子
    において、前記溝によって分割されないで各圧電素子部
    の共通側外部電極に接続された導通用内部電極を有する
    ことを特徴とする積層型圧電素子。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の積層型圧電素子におい
    て、前記導通用内部電極の形状は溝加工前の内部電極の
    形状と略同じであることを特徴とする積層型圧電素子。
  4. 【請求項4】 請求項2又は3に記載の積層型圧電素子
    において、前記導通用内部電極が複数層設けられている
    ことを特徴とする積層型圧電素子。
  5. 【請求項5】 溝によって分割された圧電層と内部電極
    とを交互に積層した複数の駆動部を有し、複数の駆動部
    の共通電極を並び方向両端の圧電層と内部電極とを交互
    に積層した非駆動部より引き出す構成の積層型圧電素子
    において、前記溝によって分割されない面には各駆動部
    の共通側外部電極に接続される導通用外部電極を有する
    ことを特徴とする積層型圧電素子。
  6. 【請求項6】 請求項2ないし4のいずれかに記載の積
    層型圧電素子を製造する方法であって、前記積層された
    内部電極群に対して積層方向に略対称な形状の圧電層か
    らなるダミー部を形成した部材を基板に固定した後、前
    記ダミー部を除去することを特徴とする積層型圧電素子
    の製造方法。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載の積層型圧電素子の製造
    方法において、前記ダミー部には前記導通用内部電極に
    対応するダミー内部電極を設けることを特徴とする積層
    型圧電素子の製造方法。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載の積層型圧電素子の製造
    方法において、前記ダミー部には前記ダミー部除去後に
    最も表面に近い内部電極と対称形状をなすダミー内部電
    極を設けることを特徴とする積層型圧電素子の製造方
    法。
  9. 【請求項9】 可動部分を積層型圧電素子を用いて変形
    させる圧電型アクチュエータにおいて、前記積層型圧電
    素子は前記請求項1ないし5のいずれかに記載の積層型
    圧電素子であることを特徴とする圧電型アクチュエー
    タ。
  10. 【請求項10】 ノズルに連通する液室を圧電型アクチ
    ュエータによって加圧して液滴を吐出させる液滴吐出ヘ
    ッドにおいて、前記圧電型アクチュエータは前記請求項
    9に記載の圧電型アクチュエータであることを特徴とす
    る液滴吐出ヘッド。
  11. 【請求項11】 インク滴を吐出するインクジェットヘ
    ッドを搭載するインクジェット記録装置において、前記
    インクジェットヘッドは前記請求項10に記載の液滴吐
    出ヘッドであることを特徴とするインクジェット記録装
    置。
  12. 【請求項12】 溝によって分割された圧電層と内部電
    極とを交互に積層した複数の駆動部を有し、複数の駆動
    部の共通電極を並び方向両端の圧電層と内部電極とを交
    互に積層した非駆動部より引き出す構成の積層型圧電素
    子で液室を加圧してインク滴を吐出させるインクジェッ
    トヘッドを搭載したインクジェット記録装置において、
    前記積層型圧電素子のすべての駆動部を駆動したときの
    駆動電圧の時定数と1つの駆動部を駆動したときの駆動
    電圧の時定数との差が2μsecを越えないことを特徴と
    するインクジェット記録装置。
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