JP2005039985A

JP2005039985A - 圧電アクチュエータおよびインクジェット記録ヘッド

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Publication number: JP2005039985A
Application number: JP2003399334A
Authority: JP
Inventors: Takuji Hashiguchi; 拓二橋口; Hisamitsu Sakai; 久満酒井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: JP4456357B2

Abstract

【課題】外部配線と表面電極との接続が容易で、しかも高い圧電特性および信頼性を有す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を提供することである。
【解決手段】振動板12上に、内部電極15、圧電セラミック層11および表面電極17がこの順に積層され、表面電極17が圧電セラミック層11の表面に複数形成され、圧電セラミック層11の表面には、各表面電極17から圧電セラミック層11の端部まで延設された引出電極18が形成されている圧電アクチュエータ21である。
【選択図】図１

Description

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備えたインクジェット記録ヘッドに関し、特に広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用したインクジェット記録ヘッドに好適に用いられる圧電アクチュエータおよびインクジェット記録ヘッドに関するものである。

従来から、圧電性セラミックスを利用した製品としては、例えば圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（発振子を含む）、超音波振動子、超音波モーター、圧電センサ等がある。

これらの中で、圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度が１０^-6秒台と非常に高速であるため、半導体製造装置のＸＹステージの位置決め用圧電アクチュエータやインクジェットプリンタのインクジェット記録ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ等に応用されている。

圧電方式を利用したインクジェットプリンタに用いられるインクジェット記録ヘッドは、例えば図４(a)に示すように、複数のインク流路１０１が並設され、各インク流路１０１を仕切る壁として隔壁１０２を形成した流路部材１０３上に圧電アクチュエータ１０４が設けられた構造を有する（特許文献１および特許文献２参照）。

圧電アクチュエータ１０４は、上面に内部電極１１０が設けられた振動板１０５上に、圧電セラミック層１０６および表面電極１０７がこの順に積層され、表面電極１０７が圧電セラミック層１０６の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部１０８が形成されたものである。この圧電アクチュエータ１０４は、流路部材１０３上に、インク流路１０１と表面電極１０７との位置を揃えて取り付けられている。

上記のようなインクジェット記録ヘッドは、内部電極１１０と所定の表面電極１０７との間に電圧を印加して該表面電極１０７直下の圧電セラミック層１０６を変位させることにより、インク流路１０１内のインクを加圧して、流路部材１０３の底面に開口したインク吐出口１０９よりインク滴を吐出する。

通常、内部電極１１０および表面電極１０７には、上記のようにして内部電極１１０と表面電極１０７との間に電圧を印加するために、図示しない外部接続配線基板からの外部配線がそれぞれ接続されている。例えば図４(b)に示すように、表面電極１０７に接続する外部配線（図示せず）は、表面電極１０７の一端に形成された延設部１０７ａに半田付けや接点部材の圧接などによって接続される（特許文献２参照）。
特開平１１−３４３２１号公報図１特開平１１−３４３２３号公報図１

しかしながら、インクジェット記録ヘッドに用いる圧電アクチュエータ１０４には、圧電セラミック層１０６の表面に複数の表面電極１０７が配列されており、これらの表面電極１０７の各延設部１０７ａに対して個別に外部配線を接続すると、圧電アクチュエータ１０４上には、外部配線が高密度で配設されるだけでなく、各外部配線を各延設部１０７ａに半田付けなどにより接続することによって、圧電セラミック層１０６に熱的ストレスおよび機械的ストレスが加わることになるため、圧電アクチュエータ１０４の圧電特性および信頼性が低下するという問題がある。また、表面電極１０７の集積度が高くなるにつれて、表面電極１０７や延設部１０７ａの面積も小さくしなくてはならないため、外部配線を延設部１０７ａに対して個別に接続するのが困難になるという問題もある。

したがって、本発明の目的は、外部配線と表面電極との接続が容易で、しかも高い圧電特性および信頼性を有す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を提供することである。

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およびインクジェット記録ヘッドは、以下の構成からなる。
(1) 振動板上に、内部電極、圧電セラミック層および表面電極がこの順に積層され、前記表面電極が前記圧電セラミック層の表面に複数形成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の表面には、各表面電極から前記圧電セラミック層の端部まで延設された引出電極が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
(2) 前記引出電極に対向する位置には、前記内部電極が形成されていない(1)記載の圧電アクチュエータ。
(3) 振動板上に、内部電極、圧電セラミック層および表面電極がこの順に積層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の表面には、相互に絶縁された複数の短冊状の表面電極が形成され、前記振動板と圧電セラミック層との間には、相互に絶縁された複数の短冊状の内部電極が、前記圧電セラミック層を介して前記表面電極と立体交差するように形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
(4) 厚みが１００μｍ以下である(1)〜(3)のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
(5) 前記振動板と前記圧電セラミック層とが略同一の材料からなる(1)〜(4)のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
(6) 前記(1)〜(5)のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、インク吐出孔を有する複数のインク流路が配列された流路部材上に、前記インク流路と前記表面電極との位置を揃えて取り付けたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。

前記(1)記載の圧電アクチュエータによれば、各表面電極から圧電セラミック層の端部まで延接された引出電極が、圧電セラミック層の表面に形成されているので、従来のように圧電セラミック層の表面に複数形成された各表面電極の延設部に対して個別に外部配線を接続する必要がなく、引出電極と外部配線とを圧電セラミック層の端部において接続すればよい。このように、外部配線との接続箇所を圧電セラミック層の端部に集中させることができるので、接点部材などの接続圧接冶具の簡略化が可能となり、接続工程の簡略化および接続信頼性の向上が図れる。これにより、外部配線と表面電極との接続が容易になると共に、圧電アクチュエータ上における外部配線の配線密度を低密度化することができる。

また、外部配線と引出電極との接続は、圧電駆動に無関係な圧電セラミック層の端部において行われるので、表面電極直下の圧電セラミック層に作用する熱的ストレスおよび機械的ストレスを低減することができる。これにより、圧電アクチュエータの圧電特性および信頼性が低下するのを抑制することができるので、高い圧電特性および信頼性を有する圧電アクチュエータを得ることができる。

前記(2)記載のように、本発明の圧電アクチュエータでは、前記引出電極に対向する位置には、前記内部電極が形成されていないのが好ましい。これにより、表面電極と内部電極との間に電圧を印加した際に、引出電極直下の圧電セラミック層が圧電駆動するのを防止することができるので、圧電アクチュエータの変位量のばらつきを低減することができる。

前記(3)記載のように、本発明にかかる他の圧電アクチュエータでは、相互に絶縁された複数の短冊状の表面電極と内部電極とが圧電セラミック層を介して立体交差するように形成されている。したがって、この圧電アクチュエータには、表面電極と内部電極との複数の交差部分が形成されており、これらの各交差部分において圧電変位素子が形成されている。また、表面電極が短冊状であるので、外部電極との接続は、表面電極の端部において行うことができる。このように、外部配線との接続箇所を表面電極の端部に集中させることができるので、接点部材などの接続圧接冶具の簡略化が可能となり、接続工程の簡略化および接続信頼性の向上が図れる。これにより、外部配線と表面電極との接続が容易になると共に、圧電アクチュエータ上における外部配線の配線密度を低密度化することができる。

また、外部配線と表面電極との接続は、圧電駆動に無関係な表面電極の端部において行われるので、圧電駆動に寄与する部分、すなわち内部電極との交差部分における圧電セラミック層に作用する熱的ストレスおよび機械的ストレスを低減することができる。これにより、圧電アクチュエータの圧電特性および信頼性が低下するのを抑制することができるので、高い圧電特性および信頼性を有する圧電アクチュエータを得ることができる。

前記(4)記載の圧電アクチュエータによれば、厚みが１００μｍ以下であるので、大きな変位量を得ることができる。

また、前記(5)記載の圧電アクチュエータによれば、前記振動板と前記圧電セラミック層とが略同一の材料からなるので、振動板と圧電セラミック層とを同時焼成で作製する際において圧電アクチュエータ内の焼成収縮を均等にすることができ、反り変形を抑制することができる。

前記(6)記載のインクジェット記録ヘッドは、本発明の圧電アクチュエータを備えているので、優れたインク吐出性能および信頼性を有している。これにより、高速で高精度な吐出が可能であり、かつ高い信頼性が得られる。

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。

＜第１の実施形態＞
図１(a)は、第１の実施形態の圧電アクチュエータを示す平面図であり、図１(b)はそのＡ−Ａ線断面図である。この圧電アクチュエータ２１は、振動板１２上に、内部電極１５、圧電セラミック層１１および表面電極１７がこの順に積層され、表面電極１７が圧電セラミック層１１の表面に複数形成されたものである。

圧電セラミック層１１の表面には、各表面電極１７から圧電セラミック層１１の端部まで延設された引出電極１８が形成されている。また、振動板１２は、セラミック層から構成されている。内部電極１５は圧電アクチュエータ２１の厚み方向に配設されたビア電極１９と電気的に接続されており、このビア電極１９の上端は、圧電セラミック層１１の表面に形成されたパッド部２２に接続されている。内部電極１５は、引出電極１８に対向する位置には形成されていない。

圧電アクチュエータ２１では、表面電極１７、該表面電極直下の圧電セラミック層１１および内部電極１５により複数の圧電変位素子が形成されており、表面電極１７と内部電極１５との間に電圧を印加することによって、圧電変位素子が撓み変形する。

圧電アクチュエータ２１の厚みは、特に限定されるものではないが、好ましくは１００μｍ以下であるのがよい。このように薄層にすることで、大きな変位を得ることができ、低電圧で高効率の駆動を実現できる。特に、圧電アクチュエータ２１としての特性を十分に発揮できる点で、好ましくは８０μｍ以下、より好ましくは６５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下であるのがよい。一方、厚みの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱いおよび作動中の破壊を防止するため、３μｍ、好ましくは５μｍ、より好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは２０μｍであるのがよい。

圧電セラミック層１１としては、圧電性を示すセラミックスを用いることができ、具体的には、例えばＢｉ層状化合物（層状ペロブスカイト型化合物）、タングステンブロンズ型化合物、Ｎｂ系ペロブスカイト型化合物（Ｎｂ酸ナトリウムなどのＮｂ酸アルカリ化合物（ＮＡＣ）、Ｎｂ酸バリウムなどのＮｂ酸アルカリ土類化合物（ＮＡＥＣ））、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、Ｐｂを含有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛等のペロブスカイト型化合物を含有する物質を例示できる。

上記のうち、特に、少なくともＰｂを含むペロブスカイト型化合物であるのがよい。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛等を含有する物質が好ましい。特に、Ａサイト構成元素としてＰｂを含有し、かつＢサイト構成元素としてＺｒおよびＴｉを含有する結晶であるのがよい。このような組成にすることで、高い圧電定数を有する圧電セラミック層が得られる。これらの中でもチタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛が、大きな変位を付加する上で好適である。ペロブスカイト型結晶の一例として、ＰｂＺｒＴｉＯ₃を好適に使用できる。

また、圧電性セラミックスには、他の酸化物を混合してもよく、さらに、特性に悪影響がない範囲であれば、副成分としてＡサイトおよび／またはＢサイトに他元素が置換していてもよい。例えば、副成分としてＺｎ、Ｓｂ、ＮｉおよびＴｅを添加したＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）Ｏ₃およびＰｂ（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）Ｏ₃の固溶体であってもよい。

内部電極１５としては、導電性を有するものならばいずれでもよく、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金などを用いることができ、具体的には、例えばＡｇ−Ｐｄ合金を例示できる。内部電極１５の厚みは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、一般に、０．５〜５μｍ程度、好ましくは１〜４μｍであるのがよい。

表面電極１７としては、導電性を有するものならば何れでもよく、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金などを用いることができる。表面電極１７の厚みは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、一般に、０．１〜２μｍ程度、好ましくは０．１〜０．５μｍであるのがよい。

引出電極１８、ビア電極１９およびパッド部２２としては、内部電極１５や表面電極１７と同様の材料を使用することができる。また、引出電極１８の厚みは０．１〜５μｍ程度、好ましくは１〜４μｍ程度であるのがよい。

振動板１２としては、絶縁性の高いものであればよいが、好ましくは圧電性セラミックスであるのがよく、より好ましくは圧電セラミック層１１と略同一の材料であるのがよい。これにより、振動板１２と圧電セラミック層１１とを同時焼成で作製する際において圧電アクチュエータ内の焼成収縮を均等にすることができるので、反り変形を抑制することができる。振動板１２の厚みは、１〜５０μｍ程度、好ましくは５〜３０μｍ程度であるのがよい。

次に、圧電アクチュエータ２１の製造方法について説明する。
(a) まず、前記した圧電性セラミックスの原料粉末を主成分とするグリーンシートを必要枚数作製する。
(b) ついで、(a)で作製したグリーンシートのうち、一部のグリーンシートにビア電極を形成するための貫通孔を形成する。貫通孔が形成されたグリーンシートにスクリーン印刷によりビア電極となる導体を充填する。また、内部電極１５を形成するグリーンシートの表面には、引出電極１８に対向する位置を除く部分に、スクリーン印刷により内部電極パターンを形成する。
(c) ついで、(a)および(b)で作製したグリーンシートを、図１に示す構成となるように積層して積層体を形成する。
(d) さらに、この積層体を所定の形状に切断した後、９００〜１１００℃程度で焼成して圧電アクチュエータ本体を形成する。
(e) 最後に、この圧電セラミック層１１の表面にスクリーン印刷により導電ペーストを印刷して所定の位置に表面電極パターン、引出電極パターンおよびパッド部パターンを形成し、６００〜８５０℃程度で熱処理する。これにより圧電アクチュエータ２１を得ることができる。なお、表面電極１７、引出電極１８およびパッド部２２は、圧電アクチュエータ本体と同時焼成して形成することもできる。

次に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドについて説明する。図２は、本実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。このインクジェット記録ヘッドは、圧電アクチュエータ２１を、インク吐出孔３３を有する複数のインク流路３２が配列された流路部材３１上に、インク流路３２と表面電極１７との位置を揃えて取り付けたものである。

流路部材３１は圧延法等によって得られ、インク吐出孔３３およびインク流路３２はエッチングにより所定の形状に加工されて設けられる。この流路部材３１は、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種によって形成されていることが望ましく、特にインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましく、Ｆｅ−Ｃｒ系がより好ましい。

圧電アクチュエータ２１と流路部材３１とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、圧電アクチュエータ２１や流路部材３１への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１００〜２５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータ２１と流路部材３１とを加熱接合することができ、これによりインクジェット記録ヘッドを得ることができる。

圧電セラミック層１１の表面に形成された各引出電極１８は、圧電セラミック層１１の端部において、それぞれ図示しない外部接続配線基板からの外部配線に独立して接続されている。また、内部電極１５は、ビア電極１９を介して、グランド電位に接続されている。そして、所定の引出電極１８を介して表面電極１７と内部電極１５との間に電圧が印加されると、電圧が印加された表面電極１７直下の圧電セラミック層１１が変位してインク流路３２内のインクが加圧され、インク吐出孔３３よりインク滴が吐出される。

このようなインクジェット記録ヘッドは、高速で高精度な吐出が可能であり、高速印刷に好適である。また、このようなインクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記録ヘッドにインクを供給するインクタンクと、記録紙に印刷するための記録紙搬送機構とを備えたプリンタは、高速・高精度印刷を容易に実現することができる。

＜第２の実施形態＞
図３(a)は、第２の実施形態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を示す平面図であり、図３(b)はそのＢ−Ｂ線断面図である。このインクジェット記録ヘッドは、圧電アクチュエータ５１を、前記したインク吐出孔３３を有する複数のインク流路３２が配列された流路部材３１上に、インク流路３２と表面電極４７との位置を揃えて取り付けたものである。

圧電アクチュエータ５１は、振動板４２上に、内部電極４５、圧電セラミック層４１および表面電極４７がこの順に積層されたものである。圧電セラミック層４１の表面には、相互に絶縁された複数の短冊状の表面電極４７が形成され、振動板４２と圧電セラミック層４１との間には、相互に絶縁された複数の短冊状の内部電極４５が、圧電セラミック層４１を介して表面電極４７と立体交差するように形成されている。各表面電極４７の端部には、パッド部５４がそれぞれ形成され、これらのパッド部には、図示しない外部接続配線基板からの外部配線４８が独立して接続されている。

振動板４２はセラミック層から構成されている。内部電極４５は圧電アクチュエータ５１の厚み方向に配設されたビア電極４９と電気的に接続されており、このビア電極４９の上端は、圧電セラミック層４１の表面に形成されたパッド部５３にそれぞれ接続されている。このパッド部５３には、図示しない外部接続配線基板からの外部配線５２が独立して接続されている。

圧電アクチュエータ５１では、表面電極４７、該表面電極４７と立体交差した内部電極４５およびこの交差部分における圧電セラミック層４１により複数の圧電変位素子が形成されており、上記表面電極４７と内部電極４５との間に電圧を印加することによって、圧電変位素子が撓み変形する。したがって、上記インクジェット記録ヘッドでは、所定の外部配線４８と所定の外部配線５２との間に電圧が印加されると、これらの外部配線４８，５２に接続された表面電極４７と内部電極４５との間に電圧が印加され、これらの交差部分における圧電セラミック層４１が変位してインク流路３２内のインクが加圧され、インク吐出孔３３よりインク滴が吐出される。

なお、第２の実施形態における圧電アクチュエータ５１では、複数の圧電変位素子は、一括駆動させずに時分割駆動させるようにする。時分割駆動とは、複数の圧電変位素子を駆動させる場合に、これらの圧電変位素子を同時に駆動させずに順次駆動させることをいう。これにより、所望の圧電変位素子のみを駆動させることができる。

また、上記のような圧電アクチュエータ５１を用いることにより、外部配線と接続する接点数が減り、接続の簡略化および接続によるストレスの低減が図られ、信頼性が向上する。

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。

例えば、圧電セラミック層、セラミック層、内部電極等の積層枚数は特に限定されるものではなく、必要に応じて増減することができる。

また、上記実施形態では、セラミック層のみで振動板を形成した場合について説明したが、本発明では、複数のセラミック層の間に内部電極を配置して振動板を構成してもよい。

(a)は、第１の実施形態の圧電アクチュエータを示す平面図であり、(b)はそのＡ−Ａ線断面図である。図１に示す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を示す断面図である。 (a)は、第２の実施形態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を示す平面図であり、(b)はそのＢ−Ｂ線断面図である。 (a)は従来のインクジェット記録ヘッドを示す断面図であり、(b)はその平面図である。

符号の説明

１１，４１圧電セラミック層
１２，４２振動板
１５，４５内部電極
１７，４７表面電極
１８引出電極
１９，４９ビア電極
２１，５１圧電アクチュエータ
２２，５３，５４パッド部
４８，５２外部配線
３１流路部材
３２インク流路
３３インク吐出孔

Claims

振動板上に、内部電極、圧電セラミック層および表面電極がこの順に積層され、前記表面電極が前記圧電セラミック層の表面に複数形成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の表面には、各表面電極から前記圧電セラミック層の端部まで延設された引出電極が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記引出電極に対向する位置には、前記内部電極が形成されていない請求項１記載の圧電アクチュエータ。
振動板上に、内部電極、圧電セラミック層および表面電極がこの順に積層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の表面には、相互に絶縁された複数の短冊状の表面電極が形成され、
前記振動板と圧電セラミック層との間には、相互に絶縁された複数の短冊状の内部電極が、前記圧電セラミック層を介して前記表面電極と立体交差するように形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
厚みが１００μｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
前記振動板と前記圧電セラミック層とが略同一の材料からなる請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
請求項１〜５のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、インク吐出孔を有する複数のインク流路が配列された流路部材上に、前記インク流路と前記表面電極との位置を揃えて取り付けたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。