JP2004336981A - 圧電アクチュエータおよびインクジェット記録ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】インク流路や個別電極を高密度に配列した場合であっても、低電圧で十分な変位振動を得ることができる高効率なアクチュエータ、並びにクロストークの発生を抑制しかつ低電圧で十分なアクチュエータの変位振動を得ることができるインクジェット記録ヘッドを提供することである。
【解決手段】振動板２上に、共通電極３、圧電セラミック層４、個別電極５、圧電セラミック層６、共通電極７、圧電セラミック層８および個別電極９がこの順に積層され、個別電極５，９が圧電セラミック層４，８の表面に複数配列され、圧電セラミック層４，６，８が、高圧電定数部４ａ，６ａ，８ａと、低圧電定数部４ｂ，６ｂ，８ｂとから構成され、高圧電定数部４ａ，６ａ，８ａの表面に個別電極５，９が設けられている圧電アクチュエータ１である。また、この圧電アクチュエータを備えたインクジェット記録ヘッドである。
【選択図】図１
【解決手段】振動板２上に、共通電極３、圧電セラミック層４、個別電極５、圧電セラミック層６、共通電極７、圧電セラミック層８および個別電極９がこの順に積層され、個別電極５，９が圧電セラミック層４，８の表面に複数配列され、圧電セラミック層４，６，８が、高圧電定数部４ａ，６ａ，８ａと、低圧電定数部４ｂ，６ｂ，８ｂとから構成され、高圧電定数部４ａ，６ａ，８ａの表面に個別電極５，９が設けられている圧電アクチュエータ１である。また、この圧電アクチュエータを備えたインクジェット記録ヘッドである。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な変位を発生させることにより、各種デバイスの位置決めや加圧などに用いられる圧電アクチュエータおよびこれを利用したインクジェット記録ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータの普及やマルチメディアの発達に伴って、情報を記録媒体に出カする記録装置として、インクジェット方式の記録装置、特に圧電方式の記録装置の利用が急速に拡大している。
【０００３】
かかる圧電方式の記録装置には、圧電アクチュエータを用いたインクジェット記録ヘッドが搭載されている。このインクジェット記録ヘッドは、例えば圧電セラミック層の一方の表面に共通電極を形成するとともに他方の表面に複数の個別電極を形成して複数の変位部が設けられてなるアクチュエータが、流路部材の開口部であるインク流路の直上に前記個別電極を配置するように、流路部材と積層接着されたものである。
【０００４】
共通電極と個別電極との間に電圧を印加して変位部を振動させることによりインク流路内のインクを加圧してインク吐出口よりインク滴を吐出させる構造になっており、各変位部を独立して制御することにより、インクジェットプリンタの高速化及び高精度化に寄与することが可能である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、近年、印字画像の高画質の要求に伴い上記インク吐出口の高密度、高精度配置が求められ、それに伴うインク流路、個別電極のピッチをますます小さく、高密度に配列することが求められている。それに伴い、インク流路の寸法もますます小さく形成する必要が生じ、変位部の振動には不利な構造となってしまう。
【０００６】
そこで、インク流路の形状を概略正方形とし、その外接円直径と内接円直径の比に着目し、インク流路の寸法が小さくても十分なアクチュエータの振動を得ることができるとされるインク流路形状が提案されている（特許文献２参照）。
【０００７】
また、インク流路などを高密度に配列すると、変位部の変位振動が流路部材の隔壁を支点として隣り合うインク流路上の変位部に干渉しやすくなり、この干渉により所定のインク吐出量が得られないという、いわゆるクロストークがより生じ易くなる。
【０００８】
特許文献３には、インク流路および個別電極の形状および配置に特徴を有するインクジェット記録ヘッドが提案されている。このインクジェット記録ヘッドによれば、クロストークの発生を抑え、複数の圧力室からインク吐出を安定して行うことができるとされている。
【０００９】
【特許文献１】
特公平７−９６３０１号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３４６６１号公報
【特許文献３】
特開２００２−２９２８６０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載のインクジェット記録ヘッドでは、十分なインク吐出量を維持する為には、圧電セラミックスに印可する電圧を高くし、アクチュエータの十分な変位振動を維持しなければならなかった。印可電圧が高くなると、消費電力の増加につながるばかりでなく、印可電圧の高電圧化は駆動回路が複雑となり製造コストが増加する問題があった。
【００１１】
また、特許文献３に記載のインクジェット記録ヘッドでは、変位部、インク流路及びインクノズルなどを高密度に配列した場合には、クロストークの発生を抑制する効果が十分ではなかった。
【００１２】
したがって、本発明の主たる目的は、個別電極を高密度に配列した場合であっても、低電圧で十分な変位振動を得ることができる高効率な圧電アクチュエータを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、インク流路や個別電極を高密度に配列した場合であっても、クロストークの発生を抑制しかつ低電圧で十分なアクチュエータの変位振動を得ることができるインクジェット記録ヘッドを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の圧電アクチュエータは以下の構成からなる。
（１）振動板上に、共通電極、厚さが１００μｍ以下の圧電セラミック層および個別電極がこの順に積層され、前記個別電極が圧電セラミック層の表面に複数配列された圧電アクチュエータであって、前記圧電セラミック層が、圧電定数の大きい高圧電定数部と、圧電定数の小さい低圧電定数部とから構成され、前記高圧電定数部の表面に前記個別電極が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（２）前記高圧電定数部の圧電定数が、前記低圧電定数部の圧電定数よりも３％以上大きい（１）記載の圧電アクチュエータ。
（３）前記高圧電定数部と低圧電定数部は同一材料からなり、前記高圧電定数部には分極処理を施し、低圧電定数部分には分極処理を施さない（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（４）前記高圧電定数部と低圧電定数部は圧電定数の異なる異種材料からなる（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（５）前記高圧電定数部が高弾性化成分を含む（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（６）前記高弾性化成分がＢｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種である（５）記載の圧電アクチュエータ。
（７） 振動板上に、共通電極、厚さが１００μｍ以下の圧電セラミック層および個別電極がこの順に積層され、前記個別電極が圧電セラミック層の表面に複数配列された圧電アクチュエータであって、前記圧電セラミック層が、弾性コンプライアンスの大きい高弾性部と、弾性コンプライアンスの小さい低弾性部とから構成され、前記高弾性部の表面に前記個別電極が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（８） 前記高弾性部の弾性コンプライアンスが、前記低弾性部の弾性コンプライアンスよりも３％以上大きい（７）記載の圧電アクチュエータ。
（９）前記高弾性部が高弾性化成分を含む（７）または（９）記載の圧電アクチュエータ。
（１０） 前記高弾性化成分がＢｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種である（９）記載の圧電アクチュエータ。
【００１５】
前記（１）〜（１０）に記載の圧電アクチュエータは、特に、インクジェット記録ヘッドに好適である。すなわち、本発明のインクジェット記録ヘッドは以下の構成からなる。
（１１）前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、インク吐出口を有する複数のインク流路が配列された流路部材上に、前記振動板を下にしてかつインク流路と前記高弾性部との位置を揃えて積層接着したことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
（１２）複数の前記インク流路間の最短距離が０．６ｍｍ以下である（１１）記載のインクジェット記録ヘッド。
【００１６】
前記（１）および（７）記載の圧電アクチュエータによれば、高圧電定数の圧電セラミックスまたは高弾性の圧電セラミックで変位部を構成しているので、個別電極などの高密度配置に伴って変位振動には不利な構造となったとしても、低電圧で効率的な変位振動を得ることができる。また、前記（２），（３）及び（４）記載の圧電アクチュエータのように前記高圧電定数部の圧電定数は、前記低圧電定数部の圧電定数より３％以上大きくするのがよい。これにより、高効率な変位振動をより確実に達成することができる。また、前記（７）記載の圧電アクチュエータの高弾性部の弾性コンプライアンスは、低弾性部の弾性コンプライアンスより３％以上大きくするのがよい。
【００１７】
前記（５）、（６）、（１１）および（１２）記載の圧電アクチュエータによれば、高圧電定数部および高弾性部は、例えばＢｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷの群から選ばれる少なくとも１種以上の元素である高弾性化成分を含有しているので、変位部を構成する領域の弾性コンプライアンスを選択的に大きくし、かつ圧電定数を選択的に大きくすることが可能になる。
【００１８】
前記（１１）記載のインクジェット記録ヘッドには、前記圧電アクチュエータが備えられ、インク流路と高圧電定数部または高弾性部との位置が揃えられており、低圧電定数部において圧電アクチュエータと流路部材が接着されているので、インク吐出口、インク流路、個別電極などの高密度配置に伴って、インク流路の寸法が小さく、圧電アクチュエータの振動には不利な構造となったとしても、クロストークを抑制しかつ低電圧でも効率的な圧電アクチュエータの変位振動を得ることができる。これにより、低電圧で安定したインク吐出性能を得ることができる。
【００１９】
また、前記（１２）に記載のように、本発明は、複数の前記インク流路間の最短距離が０．６ｍｍ以下という高密度の状態に各インク流路が配置されているインクジェット記録ヘッドに好適である。
【００２０】
また、前記（７）記載のように、圧電セラミック層において、高弾性部の弾性コンプライアンスを大きくして選択的に高弾性化することにより、高弾性部の圧電定数が大きくなり、前記（１）に記載のように、圧電定数の選択的に大きな高圧電定数部を有する圧電セラミック層となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータおよびこれを備えたインクジェット記録ヘッドについて図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。なお、図１は、後述する図２に示すインクジェット記録ヘッドに備えられた圧電アクチュエータを矢印Ａ方向から見たときの断面図である。
【００２２】
同図に示すように、アクチュエータ１は、振動板２上に、共通電極３、圧電セラミック層４、個別電極５、圧電セラミック層６、共通電極７、圧電セラミック層８および個別電極９がこの順に積層され、個別電極５が圧電セラミック層４の表面に複数配列され、個別電極９が圧電セラミック層８の表面に複数配列されたものである。
【００２３】
圧電セラミック層４、圧電セラミック層６および圧電セラミック層８は、圧電定数の大きい高圧電定数部４ａ、高圧電定数部６ａおよび高圧電定数部８ａと、圧電定数の小さい低圧電定数部４ｂ、低圧電定数部６ｂおよび低圧電定数部８ｂとから構成され、高圧電定数部４ａおよび高圧電定数部６ａの表面（高圧電定数４ａと高圧電定数部６ａの間）に個別電極５が、高圧電定数部８ａの表面に個別電極９がそれぞれ設けられている。また、振動板２、共通電極３、高圧電定数部４ａ、個別電極５、高圧電定数部６ａ、共通電極７、高圧電定数部８ａおよび個別電極９により複数の変位部１２が形成されている。
【００２４】
個別電極５と個別電極９はビア電極１０により電気的に接続されており、共通電極３と共通電極７はビア電極１１（後述する図２参照）により電気的に接続されている。個別電極５および個別電極９は配線基板（図示せず）の配線を介して振動電圧信号を供給するドライブ回路（図示せず）と接続され、共通電極３および共通電極７はグランド電位に接続されている。
【００２５】
図２は、圧電アクチュエータ１を備えた本発明のインクジェット記録ヘッドを示す一部破断斜視図であり、図３は該インクジェット記録ヘッドを示す断面図である。なお、図３は、図２に示すインクジェット記録ヘッドを矢印Ａ方向から見たときの断面図である。図２および図３に示すように、インクジェット記録ヘッド１３は、圧電アクチュエータ１を、インク吐出口１４を有する複数のインク流路１５が配列された流路部材１６上に、振動板２を下にしてかつインク流路１５と高圧電定数部４ａ、高圧電定数部６ａおよび高圧電定数部８ａとの位置を揃えて積層接着したものである。流路部材１６は、インク流路１５を形成する隔壁１７の下面にインク吐出口１４を有する基板１８が配置されて構成されている。本発明では、複数のインク流路１５間の最短距離は、特に限定されないが、高画質の印字画像を得るために０．６ｍｍ以下とすることも可能である。
【００２６】
また、本発明では、変位部１２に、高圧電定数部４ａ、高圧電定数部６ａおよび高圧電定数部８ａが配置されているので、インク流路の寸法が小さく、アクチュエータの振動には不利な構造になったとしても、低電圧でも効率的なアクチュエータの変位振動を得ることができる。
【００２７】
ここで、仮にアクチュエータ１を構成する圧電セラミック層４、圧電セラミック層６および圧電セラミック層８の全体を高圧電性にすると、変位部１２の変位振動が流路部材１６の隔壁１７を支点として隣り合うインク流路１５上の変位部１２に干渉しやすくなり、インク流路１５の不所望な圧力変動が生じてしまい、この後、このインク流路１５からインク吐出を行う際、圧力変動が重畳し、所定のインク吐出が得られないという、いわゆるクロストークがより起こりやすくなってしまう。
【００２８】
そこで、本発明では、圧電セラミック層において、変位部１２を構成する領域のみを選択的に高圧電性としている。このように選択的に高圧電性にするには、１）変位部１２を構成する領域に高誘電率材料を用い、その他の領域には低誘電率材料を用いる、２）変位部１２を構成する領域をその他の領域と同一材料とし、変位部１２を構成する領域のみに選択的に分極処理を施す、３）変位部１２を構成する領域をその他の領域と同一材料とし、変位部１２を構成する領域のみに高弾性化成分を加える等の方法を用いればよい。
【００２９】
第一の方法では、変位部１２を構成する領域の圧電セラミック層とその他の領域の圧電セラミック層とを圧電定数の異なる異種材料で構成することにより、両領域の誘電率に差異を生じさせている。すなわち、変位部１２を構成する領域の圧電セラミック層に高誘電率材料を使用し、その他の領域の圧電セラミック層に低誘電率材料を使用することにより、高圧電定数部で分極を起こりやすくなり、選択的に高圧電性になる。高圧電定数部の誘電率は、低圧電定数部の誘電率よりも３％以上、好ましくは５〜１０％小さくするのがよい。
このような異種材料で圧電セラミック層を構成するためには、例えば、高誘電率材料からなるグリーンシート１９と、低誘電率材料からなるグリーンシート２０とを作製し、図４に示すように、低誘電率材料からなるグリーンシート２０の内部に孔２１を開け、その孔２１にグリーンシート１９を埋め込めばよい。具体的には、図５（ａ）に示すように、下金型２２の上に、グリーンシート１９，２０を重ねて載せ、図５（ｂ）のように上金型２３をグリーンシート２０の表面まで押し込んでグリーンシート２０の一部をグリーンシート１９の一部で置き換える。図５（ｃ），（ｄ）は、このようにして得られた複合グリーンシート２４であり、グリーンシート２０の所定の部位に、グリーンシート１９が同じ大きさで埋め込まれている。
このようにして得られた複合グリーンシート２４と他のグリーンシートとを積層して得られた積層体を焼成し、表面電極を形成することにより、高誘電率材料を用いた部位が高圧電定数部となり、低誘電率材料を用いた部位が低圧電定数部となる。
【００３０】
第二の方法では、変位部１２を構成する領域のみを選択的に分極処理を施し、それ以外の領域には分極処理を施さないようにすればよい。具体的には、変位部１２を構成する領域の圧電セラミック層のみに直流高電界を印加し、内部の電気双極子を一方方向に揃えることにより、変位部１２を構成する領域のみに選択的に分極処理を施す。
【００３１】
第三の方法では、圧電セラミック層において、変位部１２を構成する領域のみを選択的に高弾性化した高弾性部としている。このように、変位部１２を構成する領域のみに高弾性化成分を加えて高弾性化することにより、変位部１２を構成する領域を、圧電定数の選択的に大きな高圧電定数部とすることができる。具体的には、このように選択的に高弾性にするには、Ｂｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷの群から選ばれる少なくとも１種以上の元素（高弾性化成分）を、圧電セラミック層４、圧電セラミック層６および圧電セラミック層８における変位部１２を構成する領域（すなわち高圧電定数部４ａ，６ａ，８ａ）に選択的に多く含有させるようにして、この部分の弾性コンプライアンスを大きくすればよい。これらの元素は圧電セラミックスに高弾性化剤として働き、弾性コンプライアンスを大きくすることができる。高圧電定数部の弾性コンプライアンスは、低圧電定数部の弾性コンプライアンスよりも３％以上、好ましくは５〜１０％大きくするのがよい。なお、弾性コンプライアンスが小さいと固く変形しにくくなり、大きいと柔らかくなり変形しやすい。
【００３２】
上述の高弾性化成分を変位部の領域に選択的に多くするには、個別電極を形成するための電極ペースト内に上述の元素を添加しておき、個別電極の焼き付け形成時に意図的に圧電セラミックスに拡散反応させればよい。また、その他の方法としては、上述の元素をイオン注入等の手法により変位部１２を構成する領域の圧電セラミック層に選択的に反応させてもよい。
また、変位部１２を構成する高圧電定数部の圧電定数は、低圧電定数部の圧電定数よりも３％以上３％以上、好ましくは５〜１０％大きくするのがよい。
【００３３】
前記圧電セラミック層４、圧電セラミック層６および圧電セラミック層８には、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）のうち少なくとも１種を主成分とする圧電材料が使用される。これらの圧電セラミック層４，６，８の厚さは１００μｍ以下、好ましくは１０〜５０μｍである。圧電セラミック層４，６，８の厚さが１００μｍを超えると、高弾性化成分が圧電セラミック層の厚さ方向に十分に拡散せず、高弾性にならないおそれがある。振動板２には圧電セラミック層４，６，８と同じ圧電材料を使用するのが好ましいが、これに限定されず、他のセラミックス材料を使用してもよい。振動板２の厚さは１０〜１００μｍ、好ましくは１０〜５０μｍであるのがよい。
【００３４】
共通電極３、共通電極７、個別電極５および個別電極９は、例えばＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属またはこれらの少なくとも１種以上を主成分とする合金（例えばＡｇ−Ｐｄ合金）などからなる。共通電極３および共通電極７の厚さは１〜５μｍであるのがよい。個別電極５および個別電極９の厚さは０．５〜５μｍであるのがよい。
【００３５】
次に、圧電アクチュエータ１とこれを備えたインクジェット記録ヘッド１３の製造方法について説明する。
まず、前記したＰＺＴ、ＰＭＮ系、ＰＮＮ系のうち少なくとも１種を主成分とする圧電セラミック粉末を準備する。この圧電セラミック粉末からなるスラリーを作製し、ロールコーター法、ドクターブレード法等のテープ成形法にて厚さ２０〜８０μｍ程度のグリーンシートを４枚作製し、金型打ち抜きによってグリーンシートに貫通孔を形成する。
【００３６】
その後、前記した金属または合金を主成分としバインダー樹脂および溶媒と共に混合した金属ペーストを、各々のグリーンシート表面の対応する位置に、共通電極および個別電極のパターン形状にスクリーン印刷法にて塗布する。このとき、個別電極用の金属ペーストには、Ｂｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種（高弾性化成分）を添加しておく。高弾性化成分の添加量は１〜１５質量％、好ましくは２〜８質量％とするのがよい。添加量が１質量％未満になると、変位部１２を構成する領域の圧電性を十分に向上させることができないおそれがある。一方、添加量が１５質量％を超えると、成分元素が拡散せずに異相として残存し、圧電特性が低下し、変位部としての変位特性が低下するおそれがある。また、貫通孔には個別電極と同様の電極を用いることが出来るが、圧電体粉末をフィラー剤として添加しておいてもよい。
【００３７】
ついで、上記の４枚のグリーンシートを図１に示す順に積層し、６０〜１００℃の温度で３〜１０ＭＰａの圧力で圧着することによって積層体を形成する。この積層体を、必要に応じて３００℃の温度で脱脂した後、圧電材料に適した焼成温度（通常、９００〜１１００℃程度）で焼成することにより焼結一体化し、得られた焼結体を厚み方向に分極して、本発明のアクチュエータ１を得る。
【００３８】
一方、流路部材１２は、厚さ３０〜１００μｍ程度の複数の金属箔で構成される積層体からなり、各金属箔にエッチングや金型による打ち抜き等によってインク流路１５、インク吐出口１４、隔壁１７等がそれぞれ形成される。使用する金属箔としては、例えばステンレス箔、アルミニウム箔、モリブデン箔などがあげられる。
【００３９】
上記圧電アクチュエータ１の高圧電定数部４ａ，６ａ，８ａを備えた変位部１２と流路部材１６のインク流路１５とが対応するように位置を揃えて、圧電アクチュエータ１と流路部材１６とを積層接着し、さらに圧電アクチュエータ１に、グランドおよび駆動信号配線をそれぞれ形成した配線基板（図示せず）を接合することにより、本発明のインクジェット記録ヘッド１３を得る。
【００４０】
なお、以上、本発明の実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態のみに限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更や改良したものにも適用できることは言うまでもない。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、振動板２および圧電セラミック層４，６，８からなる４層のセラミック層が積層され、これらに電極が設けられたものを例示したが、本発明では、積層数は限定されるものでなく、少なくとも１層の振動板と、１層の圧電セラミック層と、この圧電セラミック層の表面に配置された共通電極および個別電極とが備えられていればよい。
【００４２】
また、図１の圧電アクチュエータ１では、個別電極５と個別電極９とをビア電極１０で電気的に接続しているが、このビア電極１０を設けないで個別電極５と個別電極９とを切り離した状態で使用することもできる。この場合には、共通電極７と個別電極９の間にのみ電圧が印加され、圧電セラミック層８の高圧電性部８ａのみが変位振動し、その他のセラミック層２，４，６は振動板としての役割を果たす。
【００４３】
上記実施形態では、高弾性化成分を個別電極５と個別電極９の両方に含有させる場合について説明したが、高弾性化成分はいずれか一方の個別電極に含有させるだけでもよく、これにより本発明の効果を得ることができる。
【００４４】
さらに、上記実施形態では、振動板２と圧電セラミック層４，６，８の材質が同じ場合を例に挙げて説明したが、例えば振動板２を他の圧電材料で形成することも可能である。
【００４５】
【実施例】
実施例１
以下のようにして試料Ｎｏ．１〜２４のインクジェット記録ヘッドを作製した。
まず、表１に示す圧電材料からなる圧電セラミックス粉末を用いてスラリーを作成し、ロールコーター法にてグリーンシートを、一試料につき４枚ずつ作製した。
【００４６】
ついで、金型打ち抜きによって、１００μｍ径の貫通孔をグリーンシートに形成した。その後、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる金属ペーストを、各グリーンシートに対して、それぞれの所望の部位に共通電極が形成されるように、電極パターンをスクリーン印刷法にて形成した。また、貫通孔には共通電極と同様の電極で、圧電体粉末をフィラー剤として２０体積％添加した電極材をスクリーン印刷にて充填し、ビア電極を形成した。
【００４７】
そして、グリーンシートを積層して、表面電極及びビア電極を備えた積層体を作製した。その後、この積層体を１０００℃の温度で焼成した後、主成分Ａｕに表１に示す微量の高弾性化成分を添加した個別電極用の電極ペーストを、共通電極に相対するようにスクリーン印刷により塗布し、８００℃の温度にて熱処理した後に、各電極層に電圧を印加して分極処理を行って、圧電アクチュエータを得た。
【００４８】
次に、溝幅０．４ｍｍ、溝長さ０．４ｍｍの溝形状（開口部面積０．１６ｍｍ２）を有し、溝ピッチが０．６ｍｍで格子状にマトリックス配置された流路部材に上記アクチュエータを、インク流路と変位部とが対応するように位置を揃えて積層接着して、試料Ｎｏ．１〜２４のインクジェット記録ヘッドを得た。
【００４９】
なお、試料Ｎｏ．５のインクジェット記録ヘッドでは、圧電アクチュエータを作製する際に、個別電極用の金属ペーストには高弾性化成分を添加しなかった。また、試料Ｎｏ．６のインクジェット記録ヘッドでは、積層体の一方の表面に、ほぼその全面を覆うようにして一つの電極を形成するために金属ペーストを塗布し、熱処理を行って電極を形成した。その後に個別電極となる部位を残してエッチングにて電極の不必要な部位を除去した。なお、金属ペーストには高弾性化成分が添加され、熱処理によって、変位部の周辺部（低圧電定数部）も高圧電性化したのは言うまでもない。
【００５０】
得られたインクジェット記録ヘッドの個別電極と共通電極間に電圧２０Ｖを印加したときの変位部の変位量を測定した。また、変位量が約１００ｎｍとなるように駆動させるのに必要な印可電圧を測定した。その結果を表１に示す。
【表１】
【００５１】
表１によれば、試料Ｎｏ．１〜４およびＮｏ．７〜２４では、変位部を構成する圧電セラミック層（高圧電定数部）の圧電定数部が、その周辺部を構成する圧電セラミック層（低圧電性部）の圧電定数よりも大きいほど、変位量が大きくなる傾向にあることがわかる。なお、表１中の「対周辺部比率」欄の数値（％）は、高圧電性部の圧電定数と、低圧電性部の圧電定数との差（高圧電定数部の圧電定数−低圧電定数部の圧電定数）を計算し、低圧電定数部の圧電定数に対する前記差の割合を算出したものである。また、表１中の高弾性化成分の「変位部」欄における（）内の数値は、電圧が印加される個別電極と共通電極間にある圧電セラミック層に含有される元素量（質量％）を示す。
【００５２】
特に、圧電定数が１０％大きい試料Ｎｏ．１では、変位量を大きくできるので、インク流路寸法が小さくなったとしてもインク滴の吐出に十分な変位量を確保できる。また、試料Ｎｏ．１〜４およびＮｏ．６〜２４の圧電アクチュエータは低電圧駆動が可能であった。ただし、試料Ｎｏ．６では、変位部のみでなく、その周辺部の圧電セラミックスの圧電定数も同様に大きくしているので、変位量は大きく稼げる一方で、変位量のバラツキが大きくなってしまい、いわゆるクロストークが生じることになる。
【００５３】
実施例２
以下のようにして試料Ｎｏ．２５〜３１のインクジェット記録ヘッドを作製した。
まず、表２に示す圧電材料からなる圧電セラミックス粉末を用いてスラリーを作成し、ロールコーター法にてグリーンシートを、一試料につき４枚ずつ作製した。同様に、表２に示す周辺部の圧電材料からなる圧電セラミックス粉末を用いてグリーンシートを一試料につき４枚ずつ作製した。
【００５４】
ついで、図５（ａ）に示すように、下金型２２の上に、圧電材料からなるグリーンシート１９および周辺部の圧電材料からなるグリーンシート２０を重ねて載せ、図５（ｂ）のように上金型２３をグリーンシート２０の表面まで押し込んでグリーンシート２０の一部をグリーンシート１９の一部で置き換え、図５（ｃ），（ｄ）に示すような複合グリーンシート２４を形成した。
【００５５】
そして、上記例１と同様に、形成された高圧電定数部が重なるように複合グリーンシート２４を積層して、表面電極及びビア電極を備えた積層体を作製した。その後、この積層体を１０００℃の温度で焼成した後、各電極層に電圧を印加して分極処理を行って、圧電アクチュエータを得た。
【００５６】
次に、溝幅０．４ｍｍ、溝長さ０．４ｍｍの溝形状（開口部面積０．１６ｍｍ２）を有し、溝ピッチが０．６ｍｍで格子状にマトリックス配置された流路部材に上記アクチュエータを、インク流路と変位部とが対応するように位置を揃えて積層接着して、試料Ｎｏ．２５〜３１のインクジェット記録ヘッドを得た。
なお、試料Ｎｏ．３１のインクジェット記録ヘッドでは、均一の圧電材料で形成したグリーンシートを使用した。
【００５７】
得られたインクジェット記録ヘッドの個別電極と共通電極間に電圧２０Ｖを印加したときの変位部の変位量を測定した。また、変位量が約１００ｎｍとなるように駆動させるのに必要な印可電圧を測定した。その結果を表２に示す。
【００５８】
【表２】
【００５９】
表２によれば、均一の圧電材料で形成された試料Ｎｏ．３１に比べ、試料Ｎｏ．２５〜３０では、変位部を構成する圧電セラミック層（高圧電定数部）の誘電率を、その周辺部を構成する圧電セラミック層（低圧電性部）の誘電率よりも大きくすることにより、変位量が大きくなる傾向にあることがわかる。また、変位量のばらつきおよび必要電圧も減少する。なお、表１中の「対周辺部比率」欄の数値（％）は、高圧電性部の圧電定数と、低圧電性部の圧電定数との差（高圧電定数部の圧電定数−低圧電定数部の圧電定数）を計算し、低圧電定数部の圧電定数に対する前記差の割合を算出したものである。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の前記アクチュエータによれば、高圧電性の圧電セラミックスで変位部を構成しているので、個別電極の高密度配置に伴って変位振動には不利な構造となったとしても、低電圧で効率的な変位振動を得ることができるという効果がある。
【００６１】
本発明のインクジェット記録ヘッドによれば、前記圧電アクチュエータが備えられ、インク流路と高圧電性部との位置が揃えられており、低圧電性部において圧電アクチュエータと流路部材が接着されているので、インク吐出口、インク流路、個別電極などの高密度配置に伴って、インク流路の寸法が小さく、圧電アクチュエータの振動には不利な構造となったとしても、クロストークを抑制しかつ低電圧でも効率的な圧電アクチュエータの変位振動を得ることができる。これにより、低電圧で安定したインク吐出性能を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるインクジェット記録ヘッドの構造を示す一部破断斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるインクジェット記録ヘッドの構造を示す断面図である。
【図４】低誘電材料からなるグリーンシートの一例を示す斜視図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）はグリーンシートの形成方法の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・圧電アクチュエータ、２・・・振動板、３・・・共通電極、４・・・圧電セラミック層、４ａ・・・高圧電定数部、４ｂ・・・低圧電定数部、５・・・個別電極、６・・・圧電セラミック層、６ａ・・・高圧電定数部、６ｂ・・・低圧電定数部、７・・・共通電極、８・・・圧電セラミック層、８ａ・・・高圧電定数部、８ｂ・・・低圧電定数部、９・・・個別電極、１０・・・ビア電極、１１・・・ビア電極、１２・・・変位部、１３・・・インクジェット記録ヘッド、１４・・・インク吐出口、１５・・・インク流路、１６・・・流路部材、１７・・・隔壁、１８・・・基板、１９・・・グリーンシート、２０・・・グリーンシート、２１・・・孔、２２・・・下金型、２３・・・上金型、２４・・・複合グリーンシート
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細な変位を発生させることにより、各種デバイスの位置決めや加圧などに用いられる圧電アクチュエータおよびこれを利用したインクジェット記録ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータの普及やマルチメディアの発達に伴って、情報を記録媒体に出カする記録装置として、インクジェット方式の記録装置、特に圧電方式の記録装置の利用が急速に拡大している。
【０００３】
かかる圧電方式の記録装置には、圧電アクチュエータを用いたインクジェット記録ヘッドが搭載されている。このインクジェット記録ヘッドは、例えば圧電セラミック層の一方の表面に共通電極を形成するとともに他方の表面に複数の個別電極を形成して複数の変位部が設けられてなるアクチュエータが、流路部材の開口部であるインク流路の直上に前記個別電極を配置するように、流路部材と積層接着されたものである。
【０００４】
共通電極と個別電極との間に電圧を印加して変位部を振動させることによりインク流路内のインクを加圧してインク吐出口よりインク滴を吐出させる構造になっており、各変位部を独立して制御することにより、インクジェットプリンタの高速化及び高精度化に寄与することが可能である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、近年、印字画像の高画質の要求に伴い上記インク吐出口の高密度、高精度配置が求められ、それに伴うインク流路、個別電極のピッチをますます小さく、高密度に配列することが求められている。それに伴い、インク流路の寸法もますます小さく形成する必要が生じ、変位部の振動には不利な構造となってしまう。
【０００６】
そこで、インク流路の形状を概略正方形とし、その外接円直径と内接円直径の比に着目し、インク流路の寸法が小さくても十分なアクチュエータの振動を得ることができるとされるインク流路形状が提案されている（特許文献２参照）。
【０００７】
また、インク流路などを高密度に配列すると、変位部の変位振動が流路部材の隔壁を支点として隣り合うインク流路上の変位部に干渉しやすくなり、この干渉により所定のインク吐出量が得られないという、いわゆるクロストークがより生じ易くなる。
【０００８】
特許文献３には、インク流路および個別電極の形状および配置に特徴を有するインクジェット記録ヘッドが提案されている。このインクジェット記録ヘッドによれば、クロストークの発生を抑え、複数の圧力室からインク吐出を安定して行うことができるとされている。
【０００９】
【特許文献１】
特公平７−９６３０１号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３４６６１号公報
【特許文献３】
特開２００２−２９２８６０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載のインクジェット記録ヘッドでは、十分なインク吐出量を維持する為には、圧電セラミックスに印可する電圧を高くし、アクチュエータの十分な変位振動を維持しなければならなかった。印可電圧が高くなると、消費電力の増加につながるばかりでなく、印可電圧の高電圧化は駆動回路が複雑となり製造コストが増加する問題があった。
【００１１】
また、特許文献３に記載のインクジェット記録ヘッドでは、変位部、インク流路及びインクノズルなどを高密度に配列した場合には、クロストークの発生を抑制する効果が十分ではなかった。
【００１２】
したがって、本発明の主たる目的は、個別電極を高密度に配列した場合であっても、低電圧で十分な変位振動を得ることができる高効率な圧電アクチュエータを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、インク流路や個別電極を高密度に配列した場合であっても、クロストークの発生を抑制しかつ低電圧で十分なアクチュエータの変位振動を得ることができるインクジェット記録ヘッドを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の圧電アクチュエータは以下の構成からなる。
（１）振動板上に、共通電極、厚さが１００μｍ以下の圧電セラミック層および個別電極がこの順に積層され、前記個別電極が圧電セラミック層の表面に複数配列された圧電アクチュエータであって、前記圧電セラミック層が、圧電定数の大きい高圧電定数部と、圧電定数の小さい低圧電定数部とから構成され、前記高圧電定数部の表面に前記個別電極が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（２）前記高圧電定数部の圧電定数が、前記低圧電定数部の圧電定数よりも３％以上大きい（１）記載の圧電アクチュエータ。
（３）前記高圧電定数部と低圧電定数部は同一材料からなり、前記高圧電定数部には分極処理を施し、低圧電定数部分には分極処理を施さない（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（４）前記高圧電定数部と低圧電定数部は圧電定数の異なる異種材料からなる（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（５）前記高圧電定数部が高弾性化成分を含む（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（６）前記高弾性化成分がＢｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種である（５）記載の圧電アクチュエータ。
（７） 振動板上に、共通電極、厚さが１００μｍ以下の圧電セラミック層および個別電極がこの順に積層され、前記個別電極が圧電セラミック層の表面に複数配列された圧電アクチュエータであって、前記圧電セラミック層が、弾性コンプライアンスの大きい高弾性部と、弾性コンプライアンスの小さい低弾性部とから構成され、前記高弾性部の表面に前記個別電極が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（８） 前記高弾性部の弾性コンプライアンスが、前記低弾性部の弾性コンプライアンスよりも３％以上大きい（７）記載の圧電アクチュエータ。
（９）前記高弾性部が高弾性化成分を含む（７）または（９）記載の圧電アクチュエータ。
（１０） 前記高弾性化成分がＢｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種である（９）記載の圧電アクチュエータ。
【００１５】
前記（１）〜（１０）に記載の圧電アクチュエータは、特に、インクジェット記録ヘッドに好適である。すなわち、本発明のインクジェット記録ヘッドは以下の構成からなる。
（１１）前記（１）〜（１０）のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、インク吐出口を有する複数のインク流路が配列された流路部材上に、前記振動板を下にしてかつインク流路と前記高弾性部との位置を揃えて積層接着したことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
（１２）複数の前記インク流路間の最短距離が０．６ｍｍ以下である（１１）記載のインクジェット記録ヘッド。
【００１６】
前記（１）および（７）記載の圧電アクチュエータによれば、高圧電定数の圧電セラミックスまたは高弾性の圧電セラミックで変位部を構成しているので、個別電極などの高密度配置に伴って変位振動には不利な構造となったとしても、低電圧で効率的な変位振動を得ることができる。また、前記（２），（３）及び（４）記載の圧電アクチュエータのように前記高圧電定数部の圧電定数は、前記低圧電定数部の圧電定数より３％以上大きくするのがよい。これにより、高効率な変位振動をより確実に達成することができる。また、前記（７）記載の圧電アクチュエータの高弾性部の弾性コンプライアンスは、低弾性部の弾性コンプライアンスより３％以上大きくするのがよい。
【００１７】
前記（５）、（６）、（１１）および（１２）記載の圧電アクチュエータによれば、高圧電定数部および高弾性部は、例えばＢｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷの群から選ばれる少なくとも１種以上の元素である高弾性化成分を含有しているので、変位部を構成する領域の弾性コンプライアンスを選択的に大きくし、かつ圧電定数を選択的に大きくすることが可能になる。
【００１８】
前記（１１）記載のインクジェット記録ヘッドには、前記圧電アクチュエータが備えられ、インク流路と高圧電定数部または高弾性部との位置が揃えられており、低圧電定数部において圧電アクチュエータと流路部材が接着されているので、インク吐出口、インク流路、個別電極などの高密度配置に伴って、インク流路の寸法が小さく、圧電アクチュエータの振動には不利な構造となったとしても、クロストークを抑制しかつ低電圧でも効率的な圧電アクチュエータの変位振動を得ることができる。これにより、低電圧で安定したインク吐出性能を得ることができる。
【００１９】
また、前記（１２）に記載のように、本発明は、複数の前記インク流路間の最短距離が０．６ｍｍ以下という高密度の状態に各インク流路が配置されているインクジェット記録ヘッドに好適である。
【００２０】
また、前記（７）記載のように、圧電セラミック層において、高弾性部の弾性コンプライアンスを大きくして選択的に高弾性化することにより、高弾性部の圧電定数が大きくなり、前記（１）に記載のように、圧電定数の選択的に大きな高圧電定数部を有する圧電セラミック層となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータおよびこれを備えたインクジェット記録ヘッドについて図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。なお、図１は、後述する図２に示すインクジェット記録ヘッドに備えられた圧電アクチュエータを矢印Ａ方向から見たときの断面図である。
【００２２】
同図に示すように、アクチュエータ１は、振動板２上に、共通電極３、圧電セラミック層４、個別電極５、圧電セラミック層６、共通電極７、圧電セラミック層８および個別電極９がこの順に積層され、個別電極５が圧電セラミック層４の表面に複数配列され、個別電極９が圧電セラミック層８の表面に複数配列されたものである。
【００２３】
圧電セラミック層４、圧電セラミック層６および圧電セラミック層８は、圧電定数の大きい高圧電定数部４ａ、高圧電定数部６ａおよび高圧電定数部８ａと、圧電定数の小さい低圧電定数部４ｂ、低圧電定数部６ｂおよび低圧電定数部８ｂとから構成され、高圧電定数部４ａおよび高圧電定数部６ａの表面（高圧電定数４ａと高圧電定数部６ａの間）に個別電極５が、高圧電定数部８ａの表面に個別電極９がそれぞれ設けられている。また、振動板２、共通電極３、高圧電定数部４ａ、個別電極５、高圧電定数部６ａ、共通電極７、高圧電定数部８ａおよび個別電極９により複数の変位部１２が形成されている。
【００２４】
個別電極５と個別電極９はビア電極１０により電気的に接続されており、共通電極３と共通電極７はビア電極１１（後述する図２参照）により電気的に接続されている。個別電極５および個別電極９は配線基板（図示せず）の配線を介して振動電圧信号を供給するドライブ回路（図示せず）と接続され、共通電極３および共通電極７はグランド電位に接続されている。
【００２５】
図２は、圧電アクチュエータ１を備えた本発明のインクジェット記録ヘッドを示す一部破断斜視図であり、図３は該インクジェット記録ヘッドを示す断面図である。なお、図３は、図２に示すインクジェット記録ヘッドを矢印Ａ方向から見たときの断面図である。図２および図３に示すように、インクジェット記録ヘッド１３は、圧電アクチュエータ１を、インク吐出口１４を有する複数のインク流路１５が配列された流路部材１６上に、振動板２を下にしてかつインク流路１５と高圧電定数部４ａ、高圧電定数部６ａおよび高圧電定数部８ａとの位置を揃えて積層接着したものである。流路部材１６は、インク流路１５を形成する隔壁１７の下面にインク吐出口１４を有する基板１８が配置されて構成されている。本発明では、複数のインク流路１５間の最短距離は、特に限定されないが、高画質の印字画像を得るために０．６ｍｍ以下とすることも可能である。
【００２６】
また、本発明では、変位部１２に、高圧電定数部４ａ、高圧電定数部６ａおよび高圧電定数部８ａが配置されているので、インク流路の寸法が小さく、アクチュエータの振動には不利な構造になったとしても、低電圧でも効率的なアクチュエータの変位振動を得ることができる。
【００２７】
ここで、仮にアクチュエータ１を構成する圧電セラミック層４、圧電セラミック層６および圧電セラミック層８の全体を高圧電性にすると、変位部１２の変位振動が流路部材１６の隔壁１７を支点として隣り合うインク流路１５上の変位部１２に干渉しやすくなり、インク流路１５の不所望な圧力変動が生じてしまい、この後、このインク流路１５からインク吐出を行う際、圧力変動が重畳し、所定のインク吐出が得られないという、いわゆるクロストークがより起こりやすくなってしまう。
【００２８】
そこで、本発明では、圧電セラミック層において、変位部１２を構成する領域のみを選択的に高圧電性としている。このように選択的に高圧電性にするには、１）変位部１２を構成する領域に高誘電率材料を用い、その他の領域には低誘電率材料を用いる、２）変位部１２を構成する領域をその他の領域と同一材料とし、変位部１２を構成する領域のみに選択的に分極処理を施す、３）変位部１２を構成する領域をその他の領域と同一材料とし、変位部１２を構成する領域のみに高弾性化成分を加える等の方法を用いればよい。
【００２９】
第一の方法では、変位部１２を構成する領域の圧電セラミック層とその他の領域の圧電セラミック層とを圧電定数の異なる異種材料で構成することにより、両領域の誘電率に差異を生じさせている。すなわち、変位部１２を構成する領域の圧電セラミック層に高誘電率材料を使用し、その他の領域の圧電セラミック層に低誘電率材料を使用することにより、高圧電定数部で分極を起こりやすくなり、選択的に高圧電性になる。高圧電定数部の誘電率は、低圧電定数部の誘電率よりも３％以上、好ましくは５〜１０％小さくするのがよい。
このような異種材料で圧電セラミック層を構成するためには、例えば、高誘電率材料からなるグリーンシート１９と、低誘電率材料からなるグリーンシート２０とを作製し、図４に示すように、低誘電率材料からなるグリーンシート２０の内部に孔２１を開け、その孔２１にグリーンシート１９を埋め込めばよい。具体的には、図５（ａ）に示すように、下金型２２の上に、グリーンシート１９，２０を重ねて載せ、図５（ｂ）のように上金型２３をグリーンシート２０の表面まで押し込んでグリーンシート２０の一部をグリーンシート１９の一部で置き換える。図５（ｃ），（ｄ）は、このようにして得られた複合グリーンシート２４であり、グリーンシート２０の所定の部位に、グリーンシート１９が同じ大きさで埋め込まれている。
このようにして得られた複合グリーンシート２４と他のグリーンシートとを積層して得られた積層体を焼成し、表面電極を形成することにより、高誘電率材料を用いた部位が高圧電定数部となり、低誘電率材料を用いた部位が低圧電定数部となる。
【００３０】
第二の方法では、変位部１２を構成する領域のみを選択的に分極処理を施し、それ以外の領域には分極処理を施さないようにすればよい。具体的には、変位部１２を構成する領域の圧電セラミック層のみに直流高電界を印加し、内部の電気双極子を一方方向に揃えることにより、変位部１２を構成する領域のみに選択的に分極処理を施す。
【００３１】
第三の方法では、圧電セラミック層において、変位部１２を構成する領域のみを選択的に高弾性化した高弾性部としている。このように、変位部１２を構成する領域のみに高弾性化成分を加えて高弾性化することにより、変位部１２を構成する領域を、圧電定数の選択的に大きな高圧電定数部とすることができる。具体的には、このように選択的に高弾性にするには、Ｂｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷの群から選ばれる少なくとも１種以上の元素（高弾性化成分）を、圧電セラミック層４、圧電セラミック層６および圧電セラミック層８における変位部１２を構成する領域（すなわち高圧電定数部４ａ，６ａ，８ａ）に選択的に多く含有させるようにして、この部分の弾性コンプライアンスを大きくすればよい。これらの元素は圧電セラミックスに高弾性化剤として働き、弾性コンプライアンスを大きくすることができる。高圧電定数部の弾性コンプライアンスは、低圧電定数部の弾性コンプライアンスよりも３％以上、好ましくは５〜１０％大きくするのがよい。なお、弾性コンプライアンスが小さいと固く変形しにくくなり、大きいと柔らかくなり変形しやすい。
【００３２】
上述の高弾性化成分を変位部の領域に選択的に多くするには、個別電極を形成するための電極ペースト内に上述の元素を添加しておき、個別電極の焼き付け形成時に意図的に圧電セラミックスに拡散反応させればよい。また、その他の方法としては、上述の元素をイオン注入等の手法により変位部１２を構成する領域の圧電セラミック層に選択的に反応させてもよい。
また、変位部１２を構成する高圧電定数部の圧電定数は、低圧電定数部の圧電定数よりも３％以上３％以上、好ましくは５〜１０％大きくするのがよい。
【００３３】
前記圧電セラミック層４、圧電セラミック層６および圧電セラミック層８には、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）のうち少なくとも１種を主成分とする圧電材料が使用される。これらの圧電セラミック層４，６，８の厚さは１００μｍ以下、好ましくは１０〜５０μｍである。圧電セラミック層４，６，８の厚さが１００μｍを超えると、高弾性化成分が圧電セラミック層の厚さ方向に十分に拡散せず、高弾性にならないおそれがある。振動板２には圧電セラミック層４，６，８と同じ圧電材料を使用するのが好ましいが、これに限定されず、他のセラミックス材料を使用してもよい。振動板２の厚さは１０〜１００μｍ、好ましくは１０〜５０μｍであるのがよい。
【００３４】
共通電極３、共通電極７、個別電極５および個別電極９は、例えばＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属またはこれらの少なくとも１種以上を主成分とする合金（例えばＡｇ−Ｐｄ合金）などからなる。共通電極３および共通電極７の厚さは１〜５μｍであるのがよい。個別電極５および個別電極９の厚さは０．５〜５μｍであるのがよい。
【００３５】
次に、圧電アクチュエータ１とこれを備えたインクジェット記録ヘッド１３の製造方法について説明する。
まず、前記したＰＺＴ、ＰＭＮ系、ＰＮＮ系のうち少なくとも１種を主成分とする圧電セラミック粉末を準備する。この圧電セラミック粉末からなるスラリーを作製し、ロールコーター法、ドクターブレード法等のテープ成形法にて厚さ２０〜８０μｍ程度のグリーンシートを４枚作製し、金型打ち抜きによってグリーンシートに貫通孔を形成する。
【００３６】
その後、前記した金属または合金を主成分としバインダー樹脂および溶媒と共に混合した金属ペーストを、各々のグリーンシート表面の対応する位置に、共通電極および個別電極のパターン形状にスクリーン印刷法にて塗布する。このとき、個別電極用の金属ペーストには、Ｂｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種（高弾性化成分）を添加しておく。高弾性化成分の添加量は１〜１５質量％、好ましくは２〜８質量％とするのがよい。添加量が１質量％未満になると、変位部１２を構成する領域の圧電性を十分に向上させることができないおそれがある。一方、添加量が１５質量％を超えると、成分元素が拡散せずに異相として残存し、圧電特性が低下し、変位部としての変位特性が低下するおそれがある。また、貫通孔には個別電極と同様の電極を用いることが出来るが、圧電体粉末をフィラー剤として添加しておいてもよい。
【００３７】
ついで、上記の４枚のグリーンシートを図１に示す順に積層し、６０〜１００℃の温度で３〜１０ＭＰａの圧力で圧着することによって積層体を形成する。この積層体を、必要に応じて３００℃の温度で脱脂した後、圧電材料に適した焼成温度（通常、９００〜１１００℃程度）で焼成することにより焼結一体化し、得られた焼結体を厚み方向に分極して、本発明のアクチュエータ１を得る。
【００３８】
一方、流路部材１２は、厚さ３０〜１００μｍ程度の複数の金属箔で構成される積層体からなり、各金属箔にエッチングや金型による打ち抜き等によってインク流路１５、インク吐出口１４、隔壁１７等がそれぞれ形成される。使用する金属箔としては、例えばステンレス箔、アルミニウム箔、モリブデン箔などがあげられる。
【００３９】
上記圧電アクチュエータ１の高圧電定数部４ａ，６ａ，８ａを備えた変位部１２と流路部材１６のインク流路１５とが対応するように位置を揃えて、圧電アクチュエータ１と流路部材１６とを積層接着し、さらに圧電アクチュエータ１に、グランドおよび駆動信号配線をそれぞれ形成した配線基板（図示せず）を接合することにより、本発明のインクジェット記録ヘッド１３を得る。
【００４０】
なお、以上、本発明の実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態のみに限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更や改良したものにも適用できることは言うまでもない。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、振動板２および圧電セラミック層４，６，８からなる４層のセラミック層が積層され、これらに電極が設けられたものを例示したが、本発明では、積層数は限定されるものでなく、少なくとも１層の振動板と、１層の圧電セラミック層と、この圧電セラミック層の表面に配置された共通電極および個別電極とが備えられていればよい。
【００４２】
また、図１の圧電アクチュエータ１では、個別電極５と個別電極９とをビア電極１０で電気的に接続しているが、このビア電極１０を設けないで個別電極５と個別電極９とを切り離した状態で使用することもできる。この場合には、共通電極７と個別電極９の間にのみ電圧が印加され、圧電セラミック層８の高圧電性部８ａのみが変位振動し、その他のセラミック層２，４，６は振動板としての役割を果たす。
【００４３】
上記実施形態では、高弾性化成分を個別電極５と個別電極９の両方に含有させる場合について説明したが、高弾性化成分はいずれか一方の個別電極に含有させるだけでもよく、これにより本発明の効果を得ることができる。
【００４４】
さらに、上記実施形態では、振動板２と圧電セラミック層４，６，８の材質が同じ場合を例に挙げて説明したが、例えば振動板２を他の圧電材料で形成することも可能である。
【００４５】
【実施例】
実施例１
以下のようにして試料Ｎｏ．１〜２４のインクジェット記録ヘッドを作製した。
まず、表１に示す圧電材料からなる圧電セラミックス粉末を用いてスラリーを作成し、ロールコーター法にてグリーンシートを、一試料につき４枚ずつ作製した。
【００４６】
ついで、金型打ち抜きによって、１００μｍ径の貫通孔をグリーンシートに形成した。その後、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる金属ペーストを、各グリーンシートに対して、それぞれの所望の部位に共通電極が形成されるように、電極パターンをスクリーン印刷法にて形成した。また、貫通孔には共通電極と同様の電極で、圧電体粉末をフィラー剤として２０体積％添加した電極材をスクリーン印刷にて充填し、ビア電極を形成した。
【００４７】
そして、グリーンシートを積層して、表面電極及びビア電極を備えた積層体を作製した。その後、この積層体を１０００℃の温度で焼成した後、主成分Ａｕに表１に示す微量の高弾性化成分を添加した個別電極用の電極ペーストを、共通電極に相対するようにスクリーン印刷により塗布し、８００℃の温度にて熱処理した後に、各電極層に電圧を印加して分極処理を行って、圧電アクチュエータを得た。
【００４８】
次に、溝幅０．４ｍｍ、溝長さ０．４ｍｍの溝形状（開口部面積０．１６ｍｍ２）を有し、溝ピッチが０．６ｍｍで格子状にマトリックス配置された流路部材に上記アクチュエータを、インク流路と変位部とが対応するように位置を揃えて積層接着して、試料Ｎｏ．１〜２４のインクジェット記録ヘッドを得た。
【００４９】
なお、試料Ｎｏ．５のインクジェット記録ヘッドでは、圧電アクチュエータを作製する際に、個別電極用の金属ペーストには高弾性化成分を添加しなかった。また、試料Ｎｏ．６のインクジェット記録ヘッドでは、積層体の一方の表面に、ほぼその全面を覆うようにして一つの電極を形成するために金属ペーストを塗布し、熱処理を行って電極を形成した。その後に個別電極となる部位を残してエッチングにて電極の不必要な部位を除去した。なお、金属ペーストには高弾性化成分が添加され、熱処理によって、変位部の周辺部（低圧電定数部）も高圧電性化したのは言うまでもない。
【００５０】
得られたインクジェット記録ヘッドの個別電極と共通電極間に電圧２０Ｖを印加したときの変位部の変位量を測定した。また、変位量が約１００ｎｍとなるように駆動させるのに必要な印可電圧を測定した。その結果を表１に示す。
【表１】
表１によれば、試料Ｎｏ．１〜４およびＮｏ．７〜２４では、変位部を構成する圧電セラミック層（高圧電定数部）の圧電定数部が、その周辺部を構成する圧電セラミック層（低圧電性部）の圧電定数よりも大きいほど、変位量が大きくなる傾向にあることがわかる。なお、表１中の「対周辺部比率」欄の数値（％）は、高圧電性部の圧電定数と、低圧電性部の圧電定数との差（高圧電定数部の圧電定数−低圧電定数部の圧電定数）を計算し、低圧電定数部の圧電定数に対する前記差の割合を算出したものである。また、表１中の高弾性化成分の「変位部」欄における（）内の数値は、電圧が印加される個別電極と共通電極間にある圧電セラミック層に含有される元素量（質量％）を示す。
【００５２】
特に、圧電定数が１０％大きい試料Ｎｏ．１では、変位量を大きくできるので、インク流路寸法が小さくなったとしてもインク滴の吐出に十分な変位量を確保できる。また、試料Ｎｏ．１〜４およびＮｏ．６〜２４の圧電アクチュエータは低電圧駆動が可能であった。ただし、試料Ｎｏ．６では、変位部のみでなく、その周辺部の圧電セラミックスの圧電定数も同様に大きくしているので、変位量は大きく稼げる一方で、変位量のバラツキが大きくなってしまい、いわゆるクロストークが生じることになる。
【００５３】
実施例２
以下のようにして試料Ｎｏ．２５〜３１のインクジェット記録ヘッドを作製した。
まず、表２に示す圧電材料からなる圧電セラミックス粉末を用いてスラリーを作成し、ロールコーター法にてグリーンシートを、一試料につき４枚ずつ作製した。同様に、表２に示す周辺部の圧電材料からなる圧電セラミックス粉末を用いてグリーンシートを一試料につき４枚ずつ作製した。
【００５４】
ついで、図５（ａ）に示すように、下金型２２の上に、圧電材料からなるグリーンシート１９および周辺部の圧電材料からなるグリーンシート２０を重ねて載せ、図５（ｂ）のように上金型２３をグリーンシート２０の表面まで押し込んでグリーンシート２０の一部をグリーンシート１９の一部で置き換え、図５（ｃ），（ｄ）に示すような複合グリーンシート２４を形成した。
【００５５】
そして、上記例１と同様に、形成された高圧電定数部が重なるように複合グリーンシート２４を積層して、表面電極及びビア電極を備えた積層体を作製した。その後、この積層体を１０００℃の温度で焼成した後、各電極層に電圧を印加して分極処理を行って、圧電アクチュエータを得た。
【００５６】
次に、溝幅０．４ｍｍ、溝長さ０．４ｍｍの溝形状（開口部面積０．１６ｍｍ２）を有し、溝ピッチが０．６ｍｍで格子状にマトリックス配置された流路部材に上記アクチュエータを、インク流路と変位部とが対応するように位置を揃えて積層接着して、試料Ｎｏ．２５〜３１のインクジェット記録ヘッドを得た。
なお、試料Ｎｏ．３１のインクジェット記録ヘッドでは、均一の圧電材料で形成したグリーンシートを使用した。
【００５７】
得られたインクジェット記録ヘッドの個別電極と共通電極間に電圧２０Ｖを印加したときの変位部の変位量を測定した。また、変位量が約１００ｎｍとなるように駆動させるのに必要な印可電圧を測定した。その結果を表２に示す。
【００５８】
【表２】
表２によれば、均一の圧電材料で形成された試料Ｎｏ．３１に比べ、試料Ｎｏ．２５〜３０では、変位部を構成する圧電セラミック層（高圧電定数部）の誘電率を、その周辺部を構成する圧電セラミック層（低圧電性部）の誘電率よりも大きくすることにより、変位量が大きくなる傾向にあることがわかる。また、変位量のばらつきおよび必要電圧も減少する。なお、表１中の「対周辺部比率」欄の数値（％）は、高圧電性部の圧電定数と、低圧電性部の圧電定数との差（高圧電定数部の圧電定数−低圧電定数部の圧電定数）を計算し、低圧電定数部の圧電定数に対する前記差の割合を算出したものである。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の前記アクチュエータによれば、高圧電性の圧電セラミックスで変位部を構成しているので、個別電極の高密度配置に伴って変位振動には不利な構造となったとしても、低電圧で効率的な変位振動を得ることができるという効果がある。
【００６１】
本発明のインクジェット記録ヘッドによれば、前記圧電アクチュエータが備えられ、インク流路と高圧電性部との位置が揃えられており、低圧電性部において圧電アクチュエータと流路部材が接着されているので、インク吐出口、インク流路、個別電極などの高密度配置に伴って、インク流路の寸法が小さく、圧電アクチュエータの振動には不利な構造となったとしても、クロストークを抑制しかつ低電圧でも効率的な圧電アクチュエータの変位振動を得ることができる。これにより、低電圧で安定したインク吐出性能を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるインクジェット記録ヘッドの構造を示す一部破断斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるインクジェット記録ヘッドの構造を示す断面図である。
【図４】低誘電材料からなるグリーンシートの一例を示す斜視図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）はグリーンシートの形成方法の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・圧電アクチュエータ、２・・・振動板、３・・・共通電極、４・・・圧電セラミック層、４ａ・・・高圧電定数部、４ｂ・・・低圧電定数部、５・・・個別電極、６・・・圧電セラミック層、６ａ・・・高圧電定数部、６ｂ・・・低圧電定数部、７・・・共通電極、８・・・圧電セラミック層、８ａ・・・高圧電定数部、８ｂ・・・低圧電定数部、９・・・個別電極、１０・・・ビア電極、１１・・・ビア電極、１２・・・変位部、１３・・・インクジェット記録ヘッド、１４・・・インク吐出口、１５・・・インク流路、１６・・・流路部材、１７・・・隔壁、１８・・・基板、１９・・・グリーンシート、２０・・・グリーンシート、２１・・・孔、２２・・・下金型、２３・・・上金型、２４・・・複合グリーンシート
Claims (12)
- 振動板上に、共通電極、厚さが１００μｍ以下の圧電セラミック層および個別電極がこの順に積層され、前記個別電極が圧電セラミック層の表面に複数配列された圧電アクチュエータであって、
前記圧電セラミック層が、圧電定数の大きい高圧電定数部と、圧電定数の小さい低圧電定数部とから構成され、前記高圧電定数部の表面に前記個別電極が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記高圧電定数部の圧電定数が、前記低圧電定数部の圧電定数よりも３％以上大きい請求項１記載の圧電アクチュエータ。
- 前記高圧電定数部と低圧電定数部とが同一材料からなり、前記高圧電定数部には分極処理を施し、低圧電定数部分には分極処理を施さない請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
- 前記高圧電定数部と低圧電定数部とが圧電定数の異なる異種材料からなる請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
- 前記高圧電定数部が高弾性化成分を含む請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
- 前記高弾性化成分がＢｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種である請求項５記載の圧電アクチュエータ。
- 振動板上に、共通電極、厚さが１００μｍ以下の圧電セラミック層および個別電極がこの順に積層され、前記個別電極が圧電セラミック層の表面に複数配列された圧電アクチュエータであって、
前記圧電セラミック層が、弾性コンプライアンスの大きい高弾性部と、弾性コンプライアンスの小さい低弾性部とから構成され、前記高弾性部の表面に前記個別電極が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記高弾性部の弾性コンプライアンスが、前記低弾性部の弾性コンプライアンスよりも３％以上大きい請求項７記載の圧電アクチュエータ。
- 前記高弾性部が高弾性化成分を含む請求項７または８記載の圧電アクチュエータ。
- 前記高弾性化成分がＢｉ、Ｌａ、Ｔｈ、Ｎｂ、Ｓｂ、ＴａおよびＷからなる群より選ばれる少なくとも１種である請求項９記載の圧電アクチュエータ。
- 請求項１〜１０のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、インク吐出口を有する複数のインク流路が配列された流路部材上に、前記振動板を下にしてかつインク流路と前記高圧電定数部または前記高弾性部との位置を揃えて積層接着したことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
- 複数の前記インク流路間の最短距離が０．６ｍｍ以下である請求項１１記載のインクジェット記録ヘッド。
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