JP2006102712A - 圧電アクチュエータ及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】湿度の高い環境下にあっても短絡し難い圧電アクチュエータ及びそれを用いた液体吐出装置を提供する。
【解決手段】圧電セラミック層２の表面に銀を含む表面電極３が設けられるとともに、前記圧電セラミック層２の内部に内部電極が設けられ、該内部電極が前記圧電セラミック層の表面に設けられた表面接続端子４に電気的に接続されており、該表面接続端子４と前記表面電極３との間に駆動電圧が印加される圧電アクチュエータ１であって、前記圧電セラミック層２表面の少なくとも前記表面接続端子４と前記表面電極３との間に拡散防止層５が設けられてなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータ及び液体吐出装置に関し、例えば、燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ、あるいは圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタあるいは加速度センサ、ノッキングセンサ、及びＡＥセンサ等の圧電センサなどに適し、特に、広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した印刷ヘッドとして好適に用いられる圧電アクチュエータ、及び、布、紙、プラスチック、金属、ガラス及びセラミックス、シリコンやＧａＡｓ等の半導体用基板等からなる記録媒体の表面に微小な液滴を噴射して記録を行う印刷ヘッドに好適に使用できる液体噴出装置に関する。

従来から、圧電磁器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（以下、発振子を含む概念である）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。

これらの中で、例えば圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度がμｓｅｃオーダー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印刷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。

例えば、インクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータされた印刷ヘッドは、図１（ａ）に示したように、アクチュエータ５１が、流路部材５７の上に設けられた構造を有する（例えば、特許文献１参照）。流路部材５７は、複数のインク加圧室５７ａが隔壁５７ｂによって仕切られ、インク加圧室５７ａはアクチュエータ５１に当接するように並設されている。

アクチュエータ５１は、振動板５２上に、共通電極５５、圧電セラミック層５４及び表面電極５３を設けてなる。表面電極５３は、図１（ｂ）に示したように、圧電セラミック層５４の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部５６ａが形成されたものである。通常は、マトリックス配置をするように表面電極５３が形成される。この圧電アクチュエータ５１は、インク加圧室５７ａの直上に表面電極５３が位置するようにして流路部材５７上に配置している。

上記のような印刷ヘッドは、共通電極５５と所定の表面電極５３との間に電圧を印加して該表面電極５３直下の圧電セラミック層５４を変位させることにより、変位領域５６ａが対応するインク加圧室５７ａの方向に凸になるように変形し、インク加圧室５７ａ内のインクを加圧して、流路部材５７の底面に開口したインク吐出口５８よりインク滴を吐出することができる。
特開２００４−１１４３４２号公報

しかしながら、このような電極配置では、表面電極５３と表面接続端子５４とがそれぞれ大気に曝された状態で存在するため、特に、隣接している表面電極５３と表面接続端子５４との間の絶縁抵抗が次第に低下し、短絡するという問題があった。また、特に、梅雨時期には湿度が非常に高く、短絡によって駆動しない変位素子が発生する危険性が高かった。

そこで、本発明の目的は、湿度の高い環境下にあっても短絡し難い圧電アクチュエータ及びそれを用いた液体吐出装置を提供することにある。

本発明は、表面電極と表面接続端子との間で発生する短絡が銀の拡散（エレクトロマイグレーション）に起因し、表面電極と表面接続端子との間に絶縁シートを設けることによって、これらの電極間の絶縁性が極端に低下するのを抑制することができ、湿度の高い環境下で両電極間に駆動電圧を繰り返し印加しても、短絡するのを抑制することができるとの新規な知見に基づくものである。

表面電極と表面接続端子とがそれぞれ大気に曝された状態で存在すると空気中の水分が圧電セラミック層表面に吸着し、表面電極と表面接続端子間の絶縁抵抗が低下し、高電圧を印可しつづけると最終的に圧電アクチュエータの変位が低下し、さらには絶縁破壊してしまうことを知見し、表面電極と表面接続端子との間に絶縁シートを設けることによって、これらの電極間の絶縁性を高めることができ、両電極間に駆動電圧を印加した際に、短絡するのを抑制することができる。

即ち、本発明の圧電アクチュエータは、圧電セラミック層の表面に銀を含む表面電極が設けられるとともに、前記圧電セラミック層の内部に内部電極が設けられ、該内部電極が前記圧電セラミック層の表面に設けられた表面接続端子に電気的に接続されており、該表面接続端子と前記表面電極との間に駆動電圧が印加される圧電アクチュエータであって、前記圧電セラミック層表面の少なくとも前記表面接続端子と前記表面電極との間に拡散防止層が設けられてなることを特徴とする。

特に、前記圧電セラミック層表面に複数の表面電極が配列して表面電極群を形成し、前記表面電極群と前記表面接続端子とに挟まれた領域に前記拡散防止層が設けられていることが好ましい。この構成により、銀のエレクトロマイグレーションが表面電極群と表面接続素子とに挟まれた領域に発生するため、この領域に拡散防止層を設ければよく、高温多湿での駆動に対する高信頼性の確保が容易に達成できる。

また、前記拡散防止層が、前記表面電極又は前記表面電極群を取り囲むように設けられていることが好ましい。これにより、表面電極群と表面接続素子との間のみならず、圧電アクチュエータの側面に露出した電極があっても、また裏面に電極があっても、露出電極又は裏面電極と表面電極との間での銀のエレクトロマイグレーションを防止でき、高温多湿での駆動に対しての信頼性をさらに高めることができる。

さらに、前記拡散防止層が樹脂を主体とする絶縁シートであることが好ましい。樹脂は絶縁性が高く、また形状も任意に決定できるため、どのような領域にも拡散防止層を形成でき、また、低コストで信頼性を向上することができる。

また、本発明の液体吐出装置は、上記の圧電アクチュエータを、内部に液体加圧室と、該液体加圧室に連通するノズル孔とを具備する流路部材に接合してなり、前記液体加圧室に充填された液体を前記圧電アクチュエータによって加圧し、前記ノズル孔から液滴を吐出させることを特徴とする。このように構成された液体吐出装置は、優れた圧電アクチュエータの特性を維持することができ、安定した液滴吐出を実現させることができ、高速かつ高品質な液滴吐出を保証できる。

特に、インクジェットヘッドとして用いられることが好ましい。上記本発明の圧電アクチュエータ又は液体吐出装置をインクジェットプヘッドとして用いることで、高速高品質の印字・印刷を安定して行うことができる。

本発明を、図を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である圧電アクチュエータの平面図である。

図１（ａ）によれば、本発明のアクチュエータ１は、流路部材７の上に接合して使用することができる。流路部材７は、複数のインク加圧室７ａが隔壁７ｂによって仕切られ、液体加圧室７ａはアクチュエータ１に当接するように並設されている。

アクチュエータ１は、振動板１ａ上に、共通電極１ｂ、圧電セラミック層２及び表面電極３を設けてなる。表面電極３は、図１（ｂ）に示したように、圧電セラミック層２の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部（不図示）が形成されている。圧電セラミック層２の表面に、表面電極３及び表面接続端子４が設けられ、各表面電極３は、各インク加圧室７ａの直上に対応するように配置している。

共通電極１ｂはビア電極１ｃを介して表面接続端子４と電気的に接続され、表面接続端子４と所定の表面電極３との間に電圧を印加し、その表面電極３直下の圧電セラミック層２を変位させることにより、圧電変位部が対応する液体加圧室７ａの方向に凸になるように変形し、液体加圧室７ａ内のインクを加圧して、流路部材７の底面に開口した液滴吐出口８よりインク滴を吐出することができる。

図１のアクチュエータ１によれば、表面電極３又は表面接続端子４の少なくとも一方に銀を含む場合、両者間の電位差と空気中の水分が圧電セラミック層の表面に電気の流通路を形成し、その流通路に沿って電極中の銀が表面拡散（エレクトロマイグレーション）して他方の電極側に移動し手最終的には短絡する危険性があった。特に、表面接続端子４に近接する表面電極３との間が最短電気流通路となり、この間で短絡する危険が最も高かった。

しかし、表面電極３と表面接続端子４との間に、銀の拡散を抑制するための拡散防止層５を設けることによって、水分が介在し、電圧が印加された正負電極間の絶縁性を高めることができ、銀が表面拡散によって一方の電極から他方の電極へと移動するのを抑制し、短絡を防止することができる。

圧電アクチュエータ１は、例えば、セラミック振動板と、セラミック振動板上に順次形成された内部電極、圧電セラミック層、及び複数の表面電極とを具備し、変位素子が表面電極と内部電極とで挟持された圧電セラミック層とで構成され、セラミック振動板上に複数の変位素子が形成された構造を例示できる。

このような変位素子は、例えばインクジェットプリンタに用いられる印刷ヘッドの場合、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの振動板の上に、５０個以上、特に１００個以上、更には２００個以上、より好適には３００個以上も集積され、吐出する液滴をより微小なものにすることができる。

圧電セラミック層２は、複数の圧体層と、単一又は複数の内部電極とが積層されてなり、少なくとも内部電極の１層が表面端子電極４と電気的に接続されている。

表面電極３又は表面接続端子４の材料としては、銀を主成分とする材料、例えば、銀、銀パラジウム合金を例示できる。これらの銀を主成分とする材料は、電気抵抗が低く、電気回路上、漏れ電流が小さくできるという特徴を有する。

表面電極３は、単体として形成してもよいが、インクジェットプリンタ等の印刷ヘッドとして用いる場合、複数の表面電極を形成し、印刷のためのインク吐出領域に対応した特定の位置にマトリックス状に配列し、複数の表面電極からなる表面電極群Ａを形成することが、より精細な、又は精密な印刷や高速印刷を達成するために、好ましい。

表面接続端子４も、単体として形成してもよいが、より精細な、又は精密な印刷や高速印刷を達成するために、複数、表面接続端子群Ｂとして設けても良い。

圧電セラミック層は、所望の圧電特性を有するセラミックスを用いることができる。例えば、ＰＴ系圧電セラミックス、ＰＺＴ系圧電セラミックス、ＰＭＮ系圧電セラミックス等を例示できる。これらのうち、ＰＺＴ系圧電セラミックスが高変位、高品質の点で好ましい。

前記拡散防止層は、銀の拡散を抑制するものであれば、特に制限はなく、例えば、樹脂セラミック等を採用することができるが、特に、樹脂を主体とするものを採用することで、絶縁性を高め、形状を任意に決定でき、どのような領域にも拡散防止層を形成できる。また、樹脂を採用すれば低コストで信頼性を向上することができる。というメリットがある。

拡散防止層として樹脂を採用する場合、樹脂を印刷法によって塗布した後に固化してもよいが、裏面に粘着性のある絶縁シートを用いることが、絶縁シートを圧電セラミック層の表面に貼り付けるだけで拡散防止層を容易に形成することできる点で好ましい。

絶拡散防止層は、表面電極群Ａと表面接続端子群Ｂとに挟まれた領域の１／５以上、特に１／３以上、更には１／２以上、より好適には２／３以上の面積に拡散防止層が設けられていること、換言すれば、表面電極群Ａと表面接続端子群Ｂとの距離の１／５以上、特に１／３以上、更には１／２以上、より好適には２／３以上の幅に渡って拡散防止層が設けられていることが好ましい。これにより、短絡の防止効果をより高めることができる。

絶拡散防止層の厚みを、エレクトロマイグレーションをより抑制しやすくするために、０．１ｍｍ〜１ｍｍとすることが望ましい。

なお、個々の変位素子及び表面接続端子への給電用導線は、半田等で接続され、外部の電気回路と接続しているのは言うまでもない。また、内部の表面電極についても、絶縁性を確保できるように表面電極の外周を絶縁シートで固定させることが好ましい。

例えば、複数の表面電極の形状に合わせた複数の貫通孔が配置するように、粘着性絶縁シートを圧電アクチュエータ上に接着する。その結果、端部の表面電極と表面接続端子及び内部の表面電極についても、絶縁性を確保し、且つ変位素子が自由に変位することができるようになっている。

本発明によれば、図２に示したように、拡散防止層１５は、表面電極１３と表面接続端子１４との間にもうけるだけではなく、例えば、表面電極群Ａを取り囲むように、拡散防止層１５を形成することが、短絡をより確実に防止することが可能な点で好ましい。

さらに、図３（ａ）に示したように、拡散防止層２５を表面電極２３と表面接続端子２４との間にもうけるだけではなく、また、表面電極群Ａを取り囲むように、拡散防止層２５を形成するだけではなく、表面電極２３間にも拡散防止層２５を連続するように形成することが好ましい。この場合、表面電極２３の近傍には、表面電極２３の振動を抑制しないように、拡散防止層２５の形成されていない未形成領域２３Ｓを設けることが好ましい。

また、表面電極２３が、図３（ｂ）に示したように、駆動電圧の印加によって変位する駆動部２３ａと、外部配線との接続に関与する端子部２３ｂと、駆動部２３ａと端子部２３ｂとを連結する連結部２３ｃとからなる場合には、駆動部２３ａの近傍に未形成領域２３ｓを形成すれば良い。なお、振動に関与しない結部２３ｃの近傍と端子部２３ｂとの近傍には未形成領域２３ｓを設けなくても良い。

さらに、図３（ｃ）に示したように、表面端子電極２４の周囲にも拡散防止層２５を設けることができる。

なお、本発明は、積層圧電体の平面形状が図示した長方形に限らず、特許文献１のように台形でも、あるいは平行四辺形でも、さらに他の構造においても本発明と同じ効果を得ることができる。

本発明の液体吐出装置は、上記の圧電アクチュエータを、流路部材に接合してなることを特徴とするものであり、短絡がないため寿命が長く、安定した動作を得ることができるものである。

即ち、流路部材の内部には、例えば図４に示したように、液体加圧室５７ａと、液体加圧室５７ａに連通するノズル孔５８とが設けられている。そして、圧電アクチュエータ５１の特定の表面電極５３と共通電極５５との間に駆動電圧が印加されると、圧電変位素子５６ａが当該表面電極５３の直下にある液体加圧室５７ａの体積を減じるように変形し、液体加圧室５７ａに充填された液体を加圧し、ノズル孔５８から液滴を吐出させるものである。

このような液体吐出装置は、表面電極が集積されているため、高精細や高速なインクジェットプリンタの印刷ヘッドとして好適に使用することができる。

まず、図１に示した圧電アクチュエータを作製した。即ち、圧電セラミック層としてＰＺＴ系圧電セラミックスを積層した圧電アクチュエータを準備した。その形状は、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍで、その表面に２５０個の表面電極を設けたものである。そして、共通電極に電気的に接続している内部電極用接続端子と表面電極との間に、絶縁シートを接着し、拡散防止層を形成した。

得られた圧電アクチュエータを、図４に示したように、各表面電極と各液体加圧室との中心が重なるように流路部材に接着し、表面電極と共通電極とに電圧を印加した際に振動する変位素子を形成した。

さらに、共通電極に接続された表面接続端子に、外部回路に接続した給電用配線を半田によって接続した。

長期信頼性を確認するために高温高湿バイアス試験（気温６０℃、湿度９５％、ＤＣ２０Ｖ印加）を行った。評価は共通電極と表面電極の電極間の絶縁抵抗を１０００時間の試験前後で評価した。絶縁抵抗はＩＲメーターにて測定を行った。

その結果、試験前の絶縁抵抗に対して試験後に絶縁抵抗はほぼ維持されており、電気的なショートは観察されなかった。

実施例１と同様にして、圧電アクチュエータを作製した。なお、絶縁シートは、図２のように、表面電極群を取り囲むように設けたものを用いた。

実施例１と同様の評価を行い、１０００時間後に絶縁抵抗はほぼ維持されて、電気的なショートは観察されなかった。

（比較例）
実施例１と同様にして、圧電アクチュエータに絶縁シートを設けることなく、高温高湿バイアス試験（気温６０℃、湿度９５％、ＤＣ２０Ｖ印加）を行い、変位及び絶縁抵抗を測定した結果、試験１０００時間後で共通電極と表面電極の電極間で電気的なショートが観察された。

本発明の圧電アクチュエータの構造を示す平面図である。 本発明の他の圧電アクチュエータの構造を示す平面図である。 本発明の更に他の圧電アクチュエータの構造を示すもので、（ａ）及び（ｃ）は平面図であり、（ｂ）は駆動部と連結部とを具備する表面電極の部分拡大図である。 従来の圧電アクチュエータの構造を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面面である。

符号の説明

１、１１、２１・・・圧電アクチュエータ
１ａ・・・振動板
１ｂ・・・共通電極
１ｃ・・・ビア電極
２、１２、２２・・・圧電セラミック層
３、１３・・・表面電極
４、１４、２４・・・表面接続端子
５、１５、２５・・・拡散防止層
7・・・流路部材
７ａ・・・液体加圧室
７ｂ・・・隔壁
８・・・液滴吐出口
２３・・・表面電極
２３ａ・・・駆動部
２３ｂ・・・端子部
２３ｃ・・・連結部
２３ｓ・・・未形成領域
Ａ・・・表面電極群
Ｂ・・・表面接続端子群

Claims (6)

1. 圧電セラミック層の表面に銀を含む表面電極が設けられるとともに、前記圧電セラミック層の内部に内部電極が設けられ、該内部電極が前記圧電セラミック層の表面に設けられた表面接続端子に電気的に接続されており、該表面接続端子と前記表面電極との間に駆動電圧が印加される圧電アクチュエータであって、前記圧電セラミック層表面の少なくとも前記表面接続端子と前記表面電極との間に銀の拡散を抑制するための拡散防止層が設けられてなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記圧電セラミック層表面に複数の表面電極が配列して表面電極群を形成し、前記表面電極群と前記表面接続端子とに挟まれた領域に前記拡散防止層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記拡散防止層が、前記表面電極又は前記表面電極群を取り囲むように設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記拡散防止層が樹脂を主体とする絶縁シートであることを特徴とする請求項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、内部に液体加圧室と、該液体加圧室に連通するノズル孔とを具備する流路部材に接合してなり、前記液体加圧室に充填された液体を前記圧電アクチュエータによって加圧し、前記ノズル孔から液滴を吐出させることを特徴とする液体吐出装置。
6. インクジェットヘッドとして用いられることを特徴とする請求項５記載の液体吐出装置。
   
   

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