JP2005039986A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面電極を高密度に配列した場合であっても、不要な圧電振動を防止し、変位量のばらつきを低減することができ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１６上に、内部電極１２、圧電セラミック層１３および表面電極１４がこの順に積層され、表面電極１４が圧電セラミック層１３の表面に複数配列された圧電アクチュエータ１８であって、内部電極１２が圧電セラミック層１３を介して表面電極１４と対向して複数配置され、表面電極１４の端部に接続された引出電極１４ａと、内部電極１２の端部に接続された引出電極１２ａとが、圧電セラミック層１３を介して重ならない位置に配置されている。また、この圧電アクチュエータ１８を、流路部材２０上に、インク流路２３と表面電極１４および内部電極１２との位置を揃えて取り付けたインクジェット記録ヘッドである。
【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、特にインクジェット記録ヘッドに利用される、薄層化された積層型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に関するものである。

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力する記録装置として、インクジェット方式のプリンタの利用が急速に拡大している。かかるプリンタには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としては、ヘッドの小型薄型化が容易で、しかも高精度の印字が可能になるという点で、圧電方式が広く用いられている。

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５１が並設され、各インク流路５１を仕切る壁として隔壁５２を形成した流路部材５３上に圧電アクチュエータ５４が設けられた構造を有する（下記特許文献１および特許文献２参照）。

圧電アクチュエータ５４は、上面に導電性を有する白金電極等から形成された共通電極（図示せず）が設けられた振動板５５上に、圧電セラミック層５６および表面電極５７がこの順に積層され、表面電極５７が圧電セラミック層５６の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部５８が形成されたものである。この圧電アクチュエータ５４は、流路部材５３上に、インク流路５１と表面電極５７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、振動板５５上に設けられた共通電極と所定の表面電極５７との間に電圧を印加して該表面電極５７直下の圧電セラミック層５６を変位させることにより、インク流路５１内のインクを加圧して、流路部材５３の底面に開口したインク吐出口５９よりインク滴を吐出する。

通常、共通電極および表面電極５７には、上記のようにして共通電極と表面電極５７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５７に接続する外部配線（図示せず）は、表面電極５７の一端に形成された引出電極６０にはんだ付けや接点部材の圧接などにより接続される（特許文献２参照）。

ところで、上記のような圧電アクチュエータ５４の共通電極および表面電極５７は、圧電アクチュエータ５４を駆動するため、それぞれの電極に外部電気回路から電圧が印加され、圧電振動が発生する構造となっている。
しかしながら、このような圧電アクチュエータ５４に通電する際には、共通電極と所定の引出電極６０を介して表面電極５７との間に電圧を印加すると、表面電極５７と共通電極との間だけでなく、引出電極６０と共通電極の間にも電圧が印加され電界が発生し分極されるので、隔壁５２の上部（引出電極の下部）の圧電セラミック層５６も圧電振動して伸縮変形し、ここに引張内部応力が発生する。これにより、圧電セラミック層５６の変位量ばらつきが大きくなり、インク吐出量のばらつきが大きくなるという問題があった。

また、引出電極６０の下部の圧電セラミック層５６が圧電振動すると、この圧電振動が、隣接する表面電極５７の下部の圧電セラミック層５６における圧電振動に影響を与え、所望の圧電振動を妨げることがある。これにより、圧電セラミック層５６の変位量が所定値よりも小さくなるなどして変位量にばらつきが生じ、インク吐出量にばらつきが生じるという問題があった。

特に、近年では、インクジェット記録ヘッドの高密度化に伴って、表面電極が高集積され、隣接する表面電極の間隔が小さくなっているので、上記問題がより顕著になる傾向にある。
特開平１１−３４３２１号公報 特開平１１−３４３２３号公報

本発明の課題は、表面電極を高密度に配列した場合であっても、不要な圧電振動を防止し、変位量のばらつきを低減することができ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配列された圧電アクチュエータであって、前記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対向して複数配置され、前記表面電極の端部に接続された引出電極と、前記内部電極の端部に接続された引出電極とが、前記圧電セラミック層を介して重ならない位置に配置されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（２）前記内部電極が引出電極を介して連結されている前記（１）記載の圧電アクチュエータ。
（３）前記内部電極と前記表面電極とが略同形状であり、前記表面電極が内部電極の周縁からはみ出さないように前記内部電極の表面積が前記表面電極の表面積よりも若干大きく形成されている前記（１）または（２）記載の積層圧電アクチュエータ。
（４）厚みが１００μｍ以下である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

前記（１）〜（４）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。
（５）前記（１）〜（４）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、表面電極の端部に接続された引出電極と、内部電極および内部電極の端部に接続された引出電極とを、圧電セラミック層を介して重ならない位置に配置することにより、表面電極および内部電極の間に電圧を印加しても分極されないため、引出電極下部の圧電セラミック層が圧電振動するのを防止することができる。これにより、表面電極を高密度に配置しても、隣接する表面電極の下部の圧電セラミック層における圧電振動に影響を与えて所望の圧電振動を妨げることがないので、集積度が高くても変位量ばらつきが小さい。ここで、重ならないとは、完全に重なる場合のほか、交差して一部が重なる場合をも排除するものである。

前記（２）記載の圧電アクチュエータによれば、内部電極がそれぞれの引出電極により連結されていることにより、内部電極が一体化しているため配線が容易である。

前記（３）記載の圧電アクチュエータによれば、内部電極の周縁から表面電極がはみ出さない大きさで形成されていることにより、表面電極の位置がずれても、所望の面積領域を活性化することが可能である。

前記（５）記載のインクジェット記録ヘッドは、インク吐出口、インク流路、表面電極などの高密度配置に対しても、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。

以下、本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータについて図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す平面図であり、図２はそのＡ−Ａ線断面図である。

図１，２に示すように、圧電アクチュエータ１８は、振動板１６上に、内部電極１２、圧電セラミック層１３および表面電極１４がこの順に積層され、表面電極１４が圧電セラミック層１３の表面に２次元的かつ規則的に複数配列されており、内部電極１２と表面電極１４とは同数で、かつ圧電セラミック層１３を介して対向するように配置されたものである。内部電極１２の端部には引出電極１２ａが接続され、該引出電極１２ａを介して各内部電極１２が連結されている。また、表面電極１４には、引出電極１２ａに重ならないように端部に引出電極１４ａが接続されており、該引出電極１４ａの他端にはランド部１９を備えている。この圧電アクチュエータ１８は、それぞれの引出電極１２ａ，１４ａを介して表面電極１４と内部電極１２との間に電圧を印加することによって、表面電極１４直下の圧電セラミック層１３に圧電振動を発生させることができる。

振動板１６は、一層のセラミック層あるいは複数のセラミック層を積層したものであり、内部電極１２、圧電セラミック層１３などと同時焼成により一体化されている。この振動板１６は、圧電セラミック層１３に生じる反り変形を矯正し、機械的強度を高める役割も果たしている。

内部電極１２は、上記振動板１６の上面に圧電セラミック層１３を介して、表面電極１４に対向する位置に形成されている。また、内部電極１２の端部には引出電極１２ａが接続されており、複数の内部電極１２同士を所定の形状に連結している。連結された内部電極１２は、外部接続端子２７を介してグランド電位（図示せず）に接続されている。この内部電極１２の連結の形状は特に限定されるものではないが、好ましくは、配電が容易なように、一つの外部接続端子２７にてすべての内部電極１２に電圧が印加できるように連結されているのが好ましい。

表面電極１４は、内部電極１２および内部電極１２の端部に形成された引出電極１２ａに重ならない位置の端部に引出電極１４ａが接続されており、該引出電極１４ａの他端には外部電極と連結するためのランド部１９を備えている。このランド部１９を介して外部電極から印加された電圧が、引出電極１４ａを介して表面電極１４に印加され、圧電振動が発生する。

この表面電極１４の端部に接続された引出電極１４ａおよびランド部１９は、引出電極１２ａに重ならない位置に配置されており、引出電極１４ａを内部電極１２が存在する平面に該平面の垂直方向から投影したときに重ならないように配置されている。したがって、引出電極１４ａおよびランド部１９の直下には電極部材が存在せず、ランド部１９および引出電極１４ａに通電しても引き出し電極１４ａとその直下の圧電セラミック層１３は分極されず、そして圧電振動せず伸縮変形しないので、クロストークを低減し、圧電アクチュエータ１８の変位量ばらつきを低減することができる。

また、内部電極１２と表面電極１４とは略同形状であり、表面電極１４が内部電極１２の周縁からはみ出さないように内部電極１２の表面積が表面電極１４の表面積よりも若干大きく形成されている。これにより、表面電極１４の位置が多少ずれても、所望の面積領域を活性化することができ、圧電振動が発生する。また、内部電極１２の表面積は表面電極１４の表面積の１．１〜１．４４倍程度であるのが好ましい。内部電極１２の表面積がこの値より大きくなると、引出電極１４ａに通電した際に、内部電極１２と引き出し電極１４ａとの間の圧電セラミック層１３が圧電振動し、圧電アクチュエータ１８の変位量にばらつきが生じる恐れがある。

圧電アクチュエータ１８の厚みＺは、変位量を大きくするという点で、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは８０μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下であるのがよい。一方、厚みＺの下限値は、取扱中や作動中に破損しない程度の機械的強度を有し、印加される電圧に耐えうるようにするために、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは２５μｍ以上、さらに好ましくは３０μｍ以上であるのがよい。

また、圧電セラミック層１３の厚みは、小型薄型化という点で、好ましくは３０μｍ以下にするのがよく、取扱中や作動中に破損しない程度の機械的強度を有し、印加される電圧に耐えうるようにするために、より好ましくは１０〜２０μｍの範囲であるのがよい。

内部電極１２、引出電極１２ａの厚みは０．５μｍ以上、好ましくは、１μｍ以上であるのがよい。これにより、圧電アクチュエータ１８の剛性を向上させて反り変形の抑制効果を高めることができる。表面電極１４および引出電極１４ａの厚みは２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下であるのがよく、ランド部１９の厚みは１５μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下であるのがよい。

圧電セラミック層１３には、例えばチタン酸ジルコン酸鉛化合物（ＰｂＺｒＴｉＯ₃系化合物（ＰＺＴ系））、チタン酸鉛化合物、チタン酸バリウム化合物などのペロブスカイト結晶構造型の圧電材料（圧電セラミック）が好適に用いられる。これらのうち、大きな変位を得られるという点で、ＰＺＴ系を用いるのが好ましい。また、振動板１６には、圧電セラミック層１３と同様の材料を使用することができる。圧電セラミック層１３、振動板１６は、それぞれ１層で構成されていてもよく、複数の層から構成されていてもよい。

表面電極１４、引出部１４ａおよびランド部１９としては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔ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などを用いるのが好ましく、薄層化しても高い導電性が得られるという点で、特にＡｕを用いるのがより好ましい。

内部電極１２、引出電極１２ａ、外部接続端子２７は、同一材料により形成されるのが好ましい。内部電極１２としては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔ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などを用いるのが好ましく、密着強度を高めるという点で、特にＡｇ−Ｐｄ合金に、さらに、圧電セラミック層１３と同一材料（例えばペロブスカイト結晶構造型の圧電セラミック）を微量添加して用いるのがより好ましい。

次に、本発明の圧電アクチュエータ１８の製造方法について説明する。
まず、前記したチタン酸ジルコン酸鉛化合物、チタン酸鉛化合物、チタン酸バリウム化合物などを主成分とする圧電セラミック粉体を主成分とするグリーンシートを必要枚数作製する。この得られたグリーンシートの一方の表面に、前記した電極材料からなる導体ペーストを用いて、焼成後に内部電極１２となる金属パターンをスクリーン印刷により形成する。ついで、前記した電極材料からなる導体ペーストを用いて、各内部電極１２を連結するように引出電極１２ａをスクリーン印刷により形成する。

次に、得られたグリーンシートを例えば図１に示す構成で積層し、密着させて積層成形体を得る。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。

最後に、この圧電セラミック層１３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ラン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１８を得ることができる。なお、特に、ランド部１９は、後述するはんだ付けやワイヤーボンディングによって駆動電圧信号を入力するフレキシブル配線基板を結線する工程での接合不良をなくし、また圧電アクチュエータ１８の変位を妨げないようにするために、表面電極１４の高さよりもある程度高くしておく必要がある。したがって、例えば金属ペーストの印刷および焼き付け処理を複数回行って、ランド部１９の高さを表面電極１４よりも高く形成しておくのが望ましい。

また、圧電セラミック層１３の分極処理は、内部電極１２と表面電極１４との間に電圧を印加することにより、それぞれの電極間の圧電セラミック層１３について分極処理を行う。

なお、上記実施形態では内部電極１２を引出電極１２ａにて連結したが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧電セラミック層１３を介して表面電極１４の端部に接続された引出電極１４ａと重ならない位置である限りは、それぞれの個別電極に接続された引出電極にて外部電極に直接連結していてもよい。

次に、本発明の圧電アクチュエータ１８を備えたインクジェット記録ヘッドについて説明する。図３に示すインクジェット記録ヘッドは、圧電アクチュエータ１８を、インク吐出口２４を有する複数のインク流路２２が配列された流路部材２０上に、インク流路２２と表面電極１４および内部電極１２との位置を揃えてエポキシ樹脂などにより接合したものである。流路部材２０は、インク流路２２を形成する隔壁２１の下面にインク吐出口２４を有する基板２３が配置されて構成されている。

流路部材２０は、厚み３０〜１００μｍ程度の複数の金属板で構成される積層体からなり、各金属板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２２、インク吐出口２４、隔壁２１、基板２３等がそれぞれ形成される。使用する金属板としては、例えばステンレス板、アルミニウム板、モリブデン板などがあげられる。また、流路部材２０は、シリコンなどで形成することもできる。

圧電アクチュエータ１８の上部には、フレキシブル配線基板２６が配設され、接続端子２５を介してランド部１９と接続されている。このようなインクジェットヘッドでは、薄型であっても反り変形が矯正された圧電アクチュエータを備えているので、インク吐出量のばらつきを低減することができる。

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、本発明の圧電アクチュエータは、上記したインクジェット記録ヘッドの他、加速度センサ、ノッキングセンサ、ＡＥセンサ等の圧電センサ、燃料噴射用インクジェクター、圧電共振子、発振器、超音波モーター、超音波振動子、フィルタなどに適用することができる。

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。

以下、実施例および比較例をあげて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

まず、平均粒径が０．５μｍのＰｂＺｒＴｉＯ₃系粉末とバインダとそのバインダを溶解する有機溶剤とを所定量混合して圧電材料のスラリを調製し、このスラリを用いてロールコータ法にて厚み２５μｍのグリーンシートを作製した。一方、Ａｇ−Ｐｄ（混合比は質量比でＡｇ：ｐｄ＝７：３）粉末と有機粘結剤と溶媒とを所定量混合して導電性ペーストを調製した。

次に、得られたグリーンシートの表面に導電性ペーストをスクリーン印刷により印刷して、内部電極、引出電極となるそれぞれの金属パターンを形成した。このとき、内部電極の形成において、図１，２に示すような形状の内部電極のパターンを形成した。ついで、導電性ペーストを印刷したグリーンシートを所定の総数積層、加熱加圧して母体積層体を形成し、この母体積層体を切断して積層体を形成し、酸素雰囲気中、１０００℃、２時間の焼成を行い圧電アクチュエータ本体を形成した。この圧電アクチュエータを流路部材に接着剤にて接合し、図３に示すようなインクジェット記録ヘッドを得た。

次に、この圧電アクチュエータ本体の一方の表面にＡｕを主成分とする金属ペーストを印刷して７３０℃で焼付けを行って表面電極、引出電極およびランド部を形成し、図１，２に示すような圧電アクチュエータを作製した。得られた圧電アクチュエータの厚みは５０μｍ、内部電極、引出電極の厚みはそれぞれ２μｍであった。内部電極の面積は、０．８７μｍ×０．６６μｍであった。表面電極は、厚みが１μｍであり、０．８μｍ×０．６μｍであった。また、試料面積は５０ｍｍ×５０ｍｍであった。

この後、内部電極と表面電極との間に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行った。そして、圧電アクチュエータの変位量は、内部電極と表面電極との間に２０Ｖの直流電圧を印加し、さらに、この圧電アクチュエータに室温において０〜＋２０Ｖのｓｉｎ波形を２０ｋＨｚの周波数にて印加して１×１０⁹サイクルまで駆動した際の変位量を測定した。このときの最大変位量および最小変位量を表１に示す。そして、最大変位量と最小変位量との差を、平均変位量で割り、１００倍して変位量ばらつき（％）を求めた。また、隣接する表面電極の下部の圧電セラミック層を駆動させたとき、すなわち隣接する２箇所の圧電セラミック層を同時に駆動させたときの変位量を測定し、このときの最大変位量を表１に示した。また、１箇所の圧電セラミック層を駆動させたときの最大変位量に対する、隣接する４箇所の圧電セラミック層を同時に駆動させたときの最大変位量の低下率を求めた。結果を表１に示す。

［比較例１］
内部電極を振動板の表面全体に塗布したほかは、実施例１と同様にして圧電アクチュエータを作製した。次いで、実施例１と同様にして、この圧電アクチュエータを流路部材に接着剤にて接合してインクジェット記録ヘッドを得た。この圧電アクチュエータについて、実施例１と同様に各項目について測定を行った。結果を表１に示す。

表１から、内部電極を振動板の表面全体に塗布した比較例１では、変位量のばらつきが大きく、しかも隣接する４箇所の圧電セラミック層を同時に駆動させたときの変位量の低下率が３６％と大きな値となった。これに対して、実施例１の圧電アクチュエータによれば、変位量のばらつきが５％と小さく、しかも隣接する４箇所の圧電セラミック層を同時に駆動させたときの変位量の低下率が１０％と小さな値となった。

本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す平面図である。 図１に示す圧電アクチュエータのＡ−Ａ線断面図である。 本発明の一実施形態にかかる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

１２ 内部電極
１２ａ 引出電極
１３ 圧電セラミック層
１４ 表面電極
１４ａ 引出電極
１６ 振動板
１８ 圧電アクチュエータ
１９ ランド部
２０ 流路部材
２１ 隔壁
２２ インク流路
２３ 基板
２４ インク吐出口
２５ 接続端子
２６ フレキシブル配線基板
２７ 外部接続端子

Claims (5)

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配列された圧電アクチュエータであって、
   前記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対向して複数配置され、
   前記表面電極の端部に接続された引出電極と、前記内部電極の端部に接続された引出電極とが、前記圧電セラミック層を介して重ならない位置に配置されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記内部電極が引出電極を介して連結されている請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記内部電極と前記表面電極とが略同形状であり、前記表面電極が内部電極の周縁からはみ出さないように前記内部電極の表面積が前記表面電極の表面積よりも若干大きく形成されている請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
4. 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。
5. 請求項１〜４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。
   

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