JP2007290374A - 印刷ヘッドの製造方法および印刷ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】圧電アクチュエータにクラックが発生しにくく、吐出速度のバラツキが少ない印刷ヘッドの製造方法および該製造方法により製造される印刷ヘッドを提供することである。
【解決手段】流路部材１６の表面に、厚み１００μｍ以下の圧電アクチュエータ１５を、液体加圧室１６ａの直上に変位素子５が配置するように接合する印刷ヘッドの製造方法であって、圧電アクチュエータ１５を流路部材１６の表面に接合した後、圧電アクチュエータ１５に圧縮応力が加わった状態で、圧電セラミック層３を分極する印刷ヘッドの製造方法、およびこの製造方法より得られる印刷ヘッドである。
【選択図】図１

Description

本発明は、印刷ヘッドの製造方法および印刷ヘッドに関し、特に、文字や画像の印刷に用いるインクジェット式プリンタに搭載される印刷ヘッドの製造方法および印刷ヘッドに関する。

近時、パーソナルコンピューター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記録装置の利用が急速に拡大している。かかるインクジェット方式の記録装置には、印刷ヘッドが搭載されており、この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒーターを備え、ヒーターによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、インク流として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔よりインク流として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。

圧電方式を利用したインクジェット記録装置に用いられる印刷ヘッドは、例えば図４（ａ）に示したように、複数の溝が液体加圧室２３ａとして並設され、各液体加圧室２３ａを仕切る壁として隔壁２３ｂを形成した流路部材２３の上に、圧電アクチュエータ２１が接合された構造を有する。

圧電アクチュエータ２１は、圧電セラミック層２４の一方の主面に共通電極２５を形成するとともに、他方の主面に複数の個別電極２６を形成することにより、複数の変位素子２７が設けられてなる。このアクチュエータ２１は、流路部材２３の開口部である液体加圧室２３ａの直上に個別電極２６が位置するように、流路部材２３と接合される。

そして、共通電極２５と個別電極２６との間に電圧を印加して変位素子２７を振動させることにより液体加圧室２３ａ内のインクを加圧し、流路部材２３の底面に開口させた液体吐出孔２８よりインク滴を吐出させる構造になっている。

また、図４（ｂ）に示すように、圧電セラミック層２４上に個別電極２６を等ピッチで多数並設し、変位素子２７を多数設けた印刷ヘッドを構成して、各変位素子２７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。

一方、上記のような構成の圧電アクチュエータ２１は、分極時に反りが発生するという問題がある。特許文献１には、分極処理時に発生する圧電振動子ユニット先端部の反りを防止、または減少することができるインクジェット記録ヘッド用の圧電振動子ユニットとして、一方の極となる第１の電極層と他方の極となる第２の電極層とを圧電材料を挟んで交互に積層してなる圧電振動板を、所定ピッチで歯割りしてなる複数の圧電振動子（変位素子）を、その後端側を支持板に固定してなり、すくなくとも前記圧電振動板の分極処理を前記圧電振動板と前記支持板との接着後におこなうことが記載されている。

しかしながら、特許文献１記載の圧電振動子では、厚み方向が対称の構造であり、かつ圧電アクチュエータの厚さが大きいので特に問題とならなかったが、圧電アクチュエータが、厚さ１００μｍ以下、特に５０μｍ以下と薄く、かつ厚み方向に非対称の構造（すなわち圧電アクチュエータ２１）を有する場合には、分極時に圧電アクチュエータに反りが発生する。

一般に、アクチュエータ２１と流路部材２３の接合は、圧電アクチュエータ２１を分極した後に行なわれる。このため、接合によって圧電アクチュエータ２１の反りを強制的に修正して平坦にするので、圧電アクチュエータ２１にクラックが発生するという問題がある。また、クラックが発生しない場合でも、圧電アクチュエータ２１に反りがある状態で流路部材２３に接合し、強制的に反りを修正してしまうと、圧電アクチュエータ２１の面内での残留応力にバラツキが生じるので、各変位素子２７間で変位特性にバラツキが生じる。その結果、インクの吐出速度に悪影響を及ぼし、吐出速度にバラツキが生じるという問題があった。
特開平９−２３９９７７号公報

本発明の課題は、圧電アクチュエータにクラックが発生しにくく、吐出速度のバラツキが少ない印刷ヘッドの製造方法および該製造方法により製造される印刷ヘッドを提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、以下の構成からなる解決手段を見出し、本発明を完成するに至った。
（１）複数の液体加圧室を有する流路部材の表面に、振動板上に、共通電極、圧電セラミック層および個別電極をこの順に積層し、個別電極と共通電極で前記圧電セラミック層を挟持して構成される変位素子を有する厚み１００μｍ以下の圧電アクチュエータを、前記液体加圧室の直上に変位素子が配置するように接合する印刷ヘッドの製造方法であって、前記圧電アクチュエータを流路部材の表面に接合した後、該圧電アクチュエータに圧縮応力が加わった状態で、圧電アクチュエータの圧電セラミック層を分極することを特徴とする印刷ヘッドの製造方法。
（２）前記圧電アクチュエータを流路部材の表面に接合した時に、前記圧電アクチュエータに圧縮応力が加わり、その状態で圧電アクチュエータの圧電セラミック層を分極する前記（１）記載の印刷ヘッドの製造方法。
（３）前記接合が、加熱工程および冷却工程を含み、該冷却工程において、前記圧電アクチュエータに圧縮応力が加わり、その状態で圧電アクチュエータの圧電セラミック層を分極する前記（１）または（２）記載の印刷ヘッドの製造方法。
（４）前記接合前に、圧電アクチュエータのエージング工程を含み、該エージング工程は、接合前の前記圧電アクチュエータにエージング処理を施す工程、または接合前の前記圧電アクチュエータに荷重をかけた状態でエージング処理を施す工程である前記（１）〜（３）のいずれかに記載の印刷ヘッドの製造方法。
（５）前記流路部材の熱膨張係数が、前記圧電アクチュエータの熱膨張係数よりも大きい前記（１）〜（４）のいずれかに記載の印刷ヘッドの製造方法。
（６）前記圧電アクチュエータは、幅に対する厚みの比が２×１０^-4〜１×１０^-2である前記（１）〜（５）のいずれかに記載の印刷ヘッドの製造方法。
（７）前記圧電アクチュエータは、前記圧電セラミック層の表面に前記個別電極を複数配列して、この個別電極と共通電極とで圧電セラミック層を挟持して構成される前記変位素子が複数形成されている前記（１）〜（６）のいずれかに記載の印刷ヘッドの製造方法。
（８）前記（１）〜（７）のいずれかに記載の印刷ヘッドの製造方法によって製造されたことを特徴とする印刷ヘッド。

上記（１）〜（３）記載の印刷ヘッドの製造方法によれば、分極による反りのない圧電アクチュエータを流路部材に接合するので、圧電アクチュエータの反りを流路部材との接合で強制的に修正することによるクラックの発生を抑制することができる。しかも、該圧電アクチュエータに圧縮応力が加わった状態で圧電アクチュエータの圧電セラミック層を分極するので、該分極により発生する応力を圧電アクチュエータが吸収することができ、その結果、厚さ１００μｍ以下かつ厚み方向に非対称の構造を有する圧電アクチュエータであっても、該圧電アクチュエータにクラックが発生するのを抑制することができ、信頼性が向上するという効果がある。さらに、分極による反りのない状態で圧電アクチュエータを流路部材に接合するので、変位素子の変位特性にバラツキが発生しにくく、インクの吐出速度のバラツキを小さくすることができる。また、圧電アクチュエータと流路部材との位置合わせ精度が向上する。

上記（４）記載の印刷ヘッドの製造方法によれば、接合前の前記圧電アクチュエータにエージング処理を施す工程を含むので、圧電セラミックス層の結晶相を安定化させることができ、よって変位量を高くすることができると共に、変位特性にバラツキが生じるのを抑制することができる。また、前記エージング処理を圧電アクチュエータに荷重をかけた状態で施すと、前記した効果に加えて、圧電アクチュエータの反りを修正することができるので、流路部材との接合時における応力のバラツキを抑制することができ、よって変位特性にバラツキが生じるのをより抑制することができる。

上記（５）記載の印刷ヘッドの製造方法によれば、流路部材の熱膨張係数が、前記圧電アクチュエータの熱膨張係数よりも大きいので、圧電アクチュエータを流路部材の表面に接合すると、接合温度から常温に戻る際に、圧電アクチュエータに圧縮応力が加わった状態にすることができる。
上記（６）記載のような幅に対する厚みの比が２×１０^-4〜１×１０^-2である圧電アクチュエータは、変位特性に優れるものの、わずかな応力でも反りやすいので、分極時において反りが顕著に発生するが、所定の状態で分極することによって、反りの影響を効果的に低減することができる。
上記（７）記載の印刷ヘッドの製造方法によれば、複数形成された変位素子において、圧電アクチュエータを流路部材の表面に接合した後、該圧電アクチュエータに圧縮応力が加わった状態で、圧電アクチュエータの圧電セラミック層を分極することにより、各変位素子間の変位特性のバラツキを抑制することができるので、吐出速度のバラツキを少なくすることができる。しかも、各変位素子を独立して制御することにより、印刷ヘッドの高速化及び高精度化に寄与することができる。
上記（８）記載の印刷ヘッドによれば、上記特定の製造方法で製造されるので、圧電アクチュエータのクラックの発生が抑制されており、インクの吐出速度のバラツキが小さい印刷ヘッドを実現することができる。

以下、本発明の印刷ヘッドの製造方法および印刷ヘッドの一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は、本実施形態の印刷ヘッド示す概略断面図であり、図１（ｂ）は、その平面図である。図２は、図１（ａ）の圧電アクチュエータを示す拡大概略断面図である。図３は、本実施形態にかかる圧電アクチュエータのエージング工程を示す概略説明図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の印刷ヘッドは、流路部材１６と、圧電アクチュエータ１５を備えており、圧電アクチュエータ１５が流路部材１６の表面に、液体加圧室１６ａの直上に変位素子５が配置するように接合されてなり、変位素子５の変位によって液体を吐出させるものである。

＜流路部材＞
流路部材１６は圧延法等によって得られ、液体吐出口１８および液体加圧室１６ａはエッチング等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１６は、例えばＦｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系からなる群より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い。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。

また、流路部材１６は、例えば厚み３０〜１００・ｍ程度の薄板を積層して作製することができる。各薄板は、エッチングや金型による打ち抜き等の方法によって形成された微細な溝や孔を備えており、複数の薄板を積層することによって、各薄板に形成された溝や孔が、液体加圧室１６ａ、液体吐出口１８及び液体流路（不図示）等を構成するように組み合わせることができる。

上記のような薄板の材料としては、例えばステンレス板、アルミニウム板、モリブデン板などの金属材料、シリコン等の半導体材料、またはアルミナや炭化珪素等のセラミックス材料等が挙げられ、特に、導電性を有し、かつ安価で精密加工のできる金属材料を用いることが好ましい。

＜圧電アクチュエータ＞
圧電アクチュエータ１５は、図１（ａ）および図２に示すように、振動板１、共通電極２、圧電セラミック層３および個別電極４で構成されており、振動板１上に、共通電極２、圧電セラミック層３および個別電極４をこの順に積層したものである。

共通電極２，個別電極４は、圧電アクチュエータ１５の電極を構成するものであり、個別電極４は、図１（ｂ）に示すように、圧電セラミック層３の表面に複数形成されている。これにより、共通電極２，個別電極４で圧電セラミック層３を挟持して構成される変位素子５が複数形成される。したがって、圧電アクチュエータ１５は、厚み方向に非対称の構造を有する。

圧電アクチュエータ１５の厚みＴは１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下である。これにより、大きな変位を得ることができるので、低電圧で高効率の駆動を実現できる。また、圧電アクチュエータ１５の厚みＴ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上で１０μｍ、好ましくは２０μｍ、より好ましくは３０μｍであるのがよい。上記した通り、このような薄い厚みでかつ厚み方向に非対称の構造を有する圧電アクチュエータを備えた印刷ヘッドは、クラックの発生や吐出速度にバラツキがあるが、このような構成の圧電アクチュエータ１５であっても、後述するように、所定の状態で分極することによって、クラックが発生しにくく、吐出速度のバラツキが少ない印刷ヘッドを得ることができる。

圧電アクチュエータ１５は、幅に対する厚みＴの比（すなわち式：厚み／幅で算出される値）が２×１０^-4〜１×１０^-2であるのが好ましい。これにより、高い変位特性を得ることができる。また、上記した通り、このような幅に対する厚みの比である圧電アクチュエータは、わずかな応力でも反りやすいが、後述するように、所定の状態で分極することによって、反りの影響を効果的に低減することができる。なお、圧電アクチュエータ１５の前記幅は１０〜６０ｍｍであるのが好ましく、この範囲内で、幅に対する厚みＴの比が所定の値となるのが好ましい。

個別電極４および共通電極２間に電圧を印加すると、該電圧が印加された個別電極４と共通電極２に挟持された部位の圧電セラミック層３が変位する。具体的には、圧電セラミック層３は、振動板１により積層方向と直交する方向の変位が抑制されるので、変位素子５は積層方向に屈曲する。その結果、圧電アクチュエータ１５はユニモルフ型のアクチュエータとして駆動する。

圧電アクチュエータ１５の駆動は、駆動時の電界強度Ｅと、圧電セラミック層３の電界強度Ｅｃとの比率Ｅ／Ｅｃが１より小さい条件で駆動させるのが好ましい。これにより、圧電アクチュエータ１５を長期間安定して駆動することができる。これに対し、前記比率Ｅ／Ｅｃが１より大きいと、分域回転の寄与が大きくなり、変位劣化しやすくなる。

（振動板・圧電セラミック層）
振動板１は圧電セラミックスからなり、圧電セラミック層３は、振動板１と略同一組成の圧電セラミックスからなるのが好ましい。ここで、前記圧電セラミックスとは、圧電性を示すセラミックスを意味し、例えばＢｉ層状化合物やタングステンブロンズ構造物質、Ｎｂ酸アルカリ化合物のペロブスカイト構造化合物、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（ＰＴ）等を含有するペロブスカイト構造化合物、チタン酸バリウム（ＢＴ）等が挙げられるが、これら中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（ＰＴ）が、電極（共通電極２，個別電極４）との濡れ性を高めると共に、電極との密着強度を高める点で好適である。

また、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ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等のジルコン酸チタン酸鉛系化合物が、より絶対値の高い圧電定数ｄ₃₁を有する安定な圧電焼結体（圧電アクチュエータ１５）を得るうえで好ましい。

特に、ジルコン酸チタン酸鉛系化合物などの圧電セラミックス（すなわち圧電セラミック層３および振動板１）のＡサイトとＢサイトの組成比が｛Ａサイト／Ｂサイト｝≦１であるのが好ましい。

圧電セラミック層３および振動板１は、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｙｂ及びＴｅから選ばれる少なくとも１種を含むのが好ましい。これにより、より安定した圧電焼結体（圧電アクチュエータ１５）を得ることがでる。このような圧電セラミック層３および振動板１としては、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）Ｏ₃及びＰｂ（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）Ｏ₃を固溶してなるものを例示できる。

また、圧電セラミック層３および振動板１は、特に、Ａサイト構成元素として、アルカリ土類元素を含有することが望ましい。アルカリ土類元素としては、Ｂａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましく、Ｂａを０．０２〜０．０８モル、Ｓｒを０．０２〜０．１２モル含むことが、正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るうえで有利である。

このような圧電セラミック層３および振動板１としては、例えばＰｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_1-a-b-cＴｉ_cＯ₃＋α重量％Ｐｂ_1/2ＮｂＯ₃（０≦ｘ≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０．０５≦ａ≦０．１、０．００２≦ｂ≦０．０１、０．４４≦ｃ≦０．５０、α＝０．１〜１．０）等で表されものが挙げられる。

積層圧電体磁器である圧電セラミック層３および振動板１は、平均結晶粒径が２．５μｍ以下であることが好ましい。これにより、ＰＺＴなどの圧電セラミックスへのＡｇの置換固溶をより効果的に抑制することができる。結晶粒径を上記範囲にするには、例えばＰＺＴ原料調合時のＡサイトとＢサイトの組成比を１以下にすればよい。結晶平均粒径は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察し、インターセプト法により求めることができる。

圧電セラミック層３の厚みは５〜５０μｍ程度、好ましくは１０〜３０μｍ程度であるのがよい。これにより、変位素子５が高い変位を示すことができる。これに対し、前記厚みが５μｍより薄いと、機械的強度が低下し、取扱いおよび作動中に破壊するおそれがあり、５０μｍより厚いと、変位が低下するおそれがあるので好ましくない。振動板１の厚みは５〜５０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍ程度であるのがよい。

（共通電極）
共通電極２としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金等を用いることができる。具体的には、例えばＡｇ−Ｐｄ合金が例示できる。また、共通電極２の厚さは、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、通常０．５〜５μｍ程度、好ましくは１〜４μｍであるのがよい。

（個別電極）
個別電極４としては、上記した共通電極２と同様に導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金等を用いることができる。また、個別電極４の厚さは、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、例えば０．１〜２μｍ程度、好ましくは０．１〜０．５μｍ、より好ましくは０．１〜０．３μｍであるのがよい。

また、同時焼成で作製する上で、共通電極２，個別電極４が、それぞれ銀を６０〜８５体積％、好ましくは７０〜８０体積％含む銀−パラジウム合金からなることが好ましい。これにより、Ａｇの拡散量が低減され、粒内破壊を抑制することができる。

（製造方法）
次に、上記で説明した圧電アクチュエータ１５の製造方法について、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を圧電セラミックスとして用いた場合について説明する。まず、チタン酸ジルコン酸鉛化合物（例えば純度９９％、平均粒子径１μｍ以下の粉末）などの圧電セラミックスを主成分とする原料粉体を準備し、これを用いてスラリーを作製し、このスラリーを用いて、グリーンシートを作製する。グリーンシートの作製方法は、例えばドクターブレード法、ロールコータ等の周知のテープ成形方法を採用することができる。

次いで、作製したグリーンシートのうち、焼成後に振動板１となるグリーンシートの主面に、焼成後に共通電極２となる金属パターンを形成する。金属パターンの形成方法は、例えばスクリーン印刷法等を例示することができるが、他の公知の手法を採用することも可能である。

次に、これらのグリーンシートを積層して積層体とし、この積層体を１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧密着させて積層成形体を得る。前記加圧密着の際には、グリーンシートと実質的に同一組成の圧電セラミックスと、有機組成物からなる拘束シートを、上記積層体の両面若しくは片面に配置した状態で、加圧密着を行うのが好ましい。このように、拘束シートで外側のグリーンシートの収縮を抑制することによって、積層体の反りを低減するという効果が期待できる。

ついで、この積層成形体を所定の形状に切断した後、４００℃程度で脱バインダーを行い、９００〜１１００℃程度で焼成して、共通電極２を内蔵する積層圧電体を作製する。なお、前記焼結前の生密度が４．５ｇ／ｃｍ²以上であることが好ましい。これにより、より低温での焼成が可能であり、さらに生密度を上げると、Ｐｂの蒸発を抑制することが可能である。

この積層圧電体の表面に、スクリーン印刷法等の方法により導体ペーストを印刷して、個別電極４となる金属パターンを形成し、６００〜８５０℃程度で熱処理する。これにより、分極前の圧電アクチュエータ１５を得ることができる。

上記のようにして得た圧電アクチュエータ１５は、後述するように、前記した流路部材１６に接合される。ここで、この接合前に圧電アクチュエータ１５のエージング工程を含むのが好ましい。これにより、圧電セラミックス層３の結晶相を安定化させて変位量を高くすることができると共に、変位特性にバラツキが生じるのを抑制することができる。

具体的には、前記エージング工程は、接合前の圧電アクチュエータ１５にエージング処理を施す工程、または接合前の圧電アクチュエータ１５に荷重をかけた状態でエージング処理を施す工程である。前記エージング処理とは、圧電セラミックス（すなわち圧電セラミックス層３）のキュリー温度よりも５０〜１５０℃程度低い温度で１０分以上の加熱処理を行なうことを意味する。このエージング処理により、圧電アクチュエータ１５を構成する圧電セラミックス層３の結晶相が正方晶側から菱面体晶側にシフトして前記結晶相が安定化するので、変位量を高くすることができる。

一方、前記キュリー温度に近すぎる温度でエージング処理を行うと、エージング処理温度からの降温時に再度結晶に歪が生じるため、前記したエージング効果が得られないおそれがある。また、前記キュリー温度に近い温度でエージング処理を行うと、短時間で前記エージング効果を得やすくなるものの、エージング処理時間が１０分よりも短いと、前記エージング効果が得られないおそれがある。

エージング処理の具体例を挙げると、圧電セラミックス層３がジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなる場合には、エージング処理温度は２００〜３００℃であり、エージング処理時間は１０分〜１時間３０分程度であるのがよい。

前記したエージング処理は、圧電アクチュエータ１５に荷重をかけた状態で施してもよい。これにより、前記した効果に加えて、圧電アクチュエータ１５の反りを修正できるので、流路部材１６との接合時における応力のバラツキを抑制することができ、よって変位特性にバラツキが生じるのをより抑制することができる。具体例を挙げると、反り量が４００μｍ程度である圧電アクチュエータ１５に荷重をかけた状態でエージング処理を施すと、前記反り量を２００μｍ以下にまで低減することができる。

圧電アクチュエータ１５に荷重をかける方法としては、例えば圧電アクチュエータ１５の上に重りを乗せる方法等が挙げられる。すなわち、図３に示すように、まず、基板５０ａの上に圧電アクチュエータ１５を乗せ、ついで、この圧電アクチュエータ１５の上に基板５０ｂを乗せて荷重をかければよい。

基板５０ａ，５０ｂの組成としては、例えば酸化ジルコニア（ＺｒＯ₂）等が挙げられる。基板５０ａ，５０ｂの縦横の寸法としては、圧電アクチュエータ１５の縦横の寸法の１．１倍以上が好ましい。これに対し、前記寸法が１．１倍より小さいと、均一に荷重がかからないおそれがある。

基板５０ａ，５０ｂの表面は、圧電アクチュエータ１５に均一な荷重をかける上で平坦であるのが好ましく、具体的には、基板５０ａ，５０ｂの反り量が３０μｍ以下であるのが好ましい。これに対し、前記反り量が３０μｍより大きいと、かかる荷重が不均一になり、得られる反り低減効果が小さくなるおそれがある。

基板５０ａ，５０ｂの重量としては、圧電アクチュエータ１５の重量の５倍〜３０倍が好ましい。これに対し、前記重量が５倍より小さいと、得られる反り低減効果が小さくなり、３０倍より大きいと、圧電アクチュエータ１５にクラックが発生するおそれがある。なお、基板５０ａに代えて、平坦な表面を有する基台を用いてもよい。

＜印刷ヘッド＞
図１（ａ）に示すように、変位素子５と液体加圧室１６ａとの位置がそれぞれ揃うように、すなわち共通電極２および個別電極４が、液体加圧室１６ａの真上に配置するように、圧電アクチュエータ１５と流路部材１６を接合する。具体的には、この印刷ヘッドは、複数の液体加圧室１６ａが並設され、各液体加圧室１６ａを仕切る壁として隔壁１６ｂを形成した流路部材１６上に上記で説明した分極前の圧電アクチュエータ１５が接合されている。接合は、振動板１が液体加圧室１６ａの空間と当接するようにして行い、より具体的には、変位素子５の各個別電極４と、各液体加圧室１６ａとが対応するように接合される。

ここで、圧電アクチュエータ１５を流路部材１６の表面に接合した時に、圧電アクチュエータ１５に圧縮応力が加わり、その状態で圧電アクチュエータ１５の圧電セラミック層３を分極するのが好ましい。具体的には、前記接合が、加熱工程および冷却工程を含み、該冷却工程において、圧電アクチュエータ１５に圧縮応力が加わり、その状態で圧電アクチュエータ１５の圧電セラミック層３を分極するのがよい。

前記接合は、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１５や流路部材１６への影響を及ぼさない上で、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からなる群より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１５と流路部材１６とを加熱接合することができ（すなわち加熱工程）、接合温度から常温に戻る際（すなわち冷却工程）に、圧電アクチュエータ１５に圧縮応力が加わる。

ここで、流路部材１６の熱膨張係数が、圧電アクチュエータ１５の熱膨張係数よりも大きいのが好ましい。これにより、圧電アクチュエータ１５を流路部材１６の表面に接合すると、接合温度から常温に戻る際に、圧電アクチュエータ１５に圧縮応力が加わった状態にすることができる。具体的には、流路部材１６の熱膨張係数は６×１０^-6〜１７×１０^-6／℃であり、圧電アクチュエータ１５の熱膨張係数は６×１０^-6〜８×１０^-6／℃であるのが好ましく、この範囲内で、流路部材１６の熱膨張係数が、圧電アクチュエータ１５の熱膨張係数よりも大きくなるのが好ましい。前記熱膨張係数は、圧電アクチュエータ１５および流路部材１６それぞれの組成を調製して、所定の値にすることができる。前記熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｒ１６１８に準拠して測定し、得られた値である。

ついで、この状態、すなわち接合が完了して圧電アクチュエータ１５が流路部材１６に固定されると共に、圧電アクチュエータ１５に圧縮応力が加わった状態で、個別電極４と共通電極２の間に分極電圧を印加して圧電セラミック層３を分極して、本実施形態にかかる印刷ヘッドを得ることができる。前記分極の条件としては、圧電アクチュエータ１５の組成や厚み等に応じて、任意に選定すればよく、特に限定されるものではないが、例えば０．５〜５ｋｖ／ｍｍ程度の直流電圧を、１〜１０分間程度印加して分極を行えばよい。

そして、個別電極４と共通電極２との間に図示しない駆動回路より電圧を印加すると、電圧が印加され変位した変位素子５に対応する液体加圧室１６ａ内のインクが加圧され、圧電アクチュエータ１５を振動させることにより、液体加圧室１６ａ内のインクが流路部材１６の底面に開口させた液体吐出孔１８よりインク滴として吐出される。この際、本実施形態の印刷ヘッドによると、吐出速度のバラツキを少なくすることができる。また、この印刷ヘッドは変位特性に優れるので、高速で高精度な吐出というという特徴が得られ、その結果、高速印刷に好適な印刷ヘッドを提供することができる。また、本発明の印刷ヘッドをプリンタに搭載することによって、例えば上記の印刷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ているプリンタでは、従来に比べて高速・高精度の印刷を容易に達成することができる。

以上、本発明の一実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、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、上記の実施形態では、振動板１および圧電セラミック層３が、いずれも１層で構成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、振動板および／または圧電セラミック層が複数層で構成されていてもよい。この場合には、圧電アクチュエータの厚みを簡単に調整することができる。また、内部に電極等の配線回路層を形成してもよい。

また、振動板１は圧電セラミック層３の圧電セラミックスと略同一の材料であるのが好ましいが、振動板１および圧電セラミック層３の圧電セラミックス組成は完全に一致している必要はなく、本発明の効果、すなわち圧電アクチュエータにクラックが発生しにくく、吐出速度のバラツキを少なくすることができる範囲内で、その組成が異なっていてもよい。

圧電アクチュエータ１５を流路部材１６の表面に接合した後、圧電アクチュエータ１５に圧縮応力が加わった状態とする方法として、流路部材１６の熱膨張係数を圧電アクチュエータ１５の熱膨張係数よりも大きくして前記所定の状態とする方法について説明したが、接合に用いる接着剤の熱膨張係数や硬化温度を調節して、前記所定の状態としてもよい。

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

＜印刷ヘッドの作製＞
〔試料Ｎｏ．４〜８〕
（圧電アクチュエータの作製）
まず、原料として、焼成後に表１に示す熱膨張係数を有するような、純度９９％以上のチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電セラミックス粉末を準備した。ついで、この粉末に、水系バインダーとしてブチルメタクリレート、分散剤にポリカルボン酸アンモニウム塩、溶剤にイソプロビルアルコールと純水を各々添加して混合し、スラリーを得た。このスラリーをドクタープレード法によりキャリアフィルム上に、シート形状に塗布して、グリーンシートを作製した。このグリーンシートは、圧セラミック層用および振動板用の両方に使用した。

ついで、Ａｇ‐Ｐｄ合金粉末を含有する共通電極ペーストを振動板用のグリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、共通電極を形成した。更に、共通電極が印刷された面を上向きにして振動板用のグリーンシートの上に圧電セラミック層用のグリーンシートを積層し、加圧プレスして積層体を得た。

この積層体を脱脂処理した後、９８０℃で酸素９９％以上の雰囲気中に４時間保持して焼結し、圧電セラミック層と振動板と共通電極とからなる積層焼結体を作製した。次に、圧電セラミック層の表面に個別電極を形成した。個別電極は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布した後、これを６００〜８００℃の大気中で焼付けて形成した。最後に、個別電極にリード線を半田で接続して、表１に示す形状の圧電アクチュエータを得た。なお、表１中の熱膨張係数は、上記で説明したＪＩＳ Ｒ１６１８に準拠して測定した。

（流路部材の作製）
流路部材は、圧延法によって作製した（Ｆｅ−Ｃｒ系）。なお、液体吐出口および液体加圧室はエッチングにより所定の形状に加工した。得られた流路部材の熱膨張係数を、圧電アクチュエータと同様にして測定した。その結果を表１に示す。

（印刷ヘッドの作製）
上記で得た圧電アクチュエータを、上記で得た流路部材の表面に、液体加圧室の直上に変位素子が配置するように接合して、各印刷ヘッドを得た（表１中の試料Ｎｏ．４〜８）。なお、接合は、熱硬化温度が１５０℃のエポキシ樹脂接着剤を用いて行なった。これにより、圧電アクチュエータに圧縮応力が加わった状態となる。

（分極）
流路部材との接合後、圧電アクチュエータに圧縮応力が加わった状態（流路部材の熱膨張係数が、圧電アクチュエータの熱膨張係数よりも大きい）で、３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を５分間印加して圧電セラミック層の分極を行なった。

〔試料Ｎｏ．１０，１１〕
上記実施例と同様にして積層焼結体を得、圧電セラミック層の表面に個別電極を形成した後、表１に示す条件で圧電アクチュエータのエージング工程を行った。ついで、個別電極にリード線を半田で接続して、表１に示す形状の圧電アクチュエータを得た以外は、上記実施例と同様にして各印刷ヘッドを得、分極を行なった（表１中の試料Ｎｏ．１０，１１）。

なお、表１中、「エージング処理」とは、個別電極にリード線を接続する前の圧電アクチュエータについて、エージング処理温度２５０℃、エージング処理時間１時間の条件でエージング処理を施すことを意味する。また、表１中、「酸化ジルコニア基板」とは、個別電極にリード線を接続する前の圧電アクチュエータを図３に示すような状態にして、荷重をかけたことを意味する。基板５０ａ，５０ｂの物性は、以下の通りである。
（基板５０ａ，５０ｂの物性）
組成：酸化ジルコニア（ＺｒＯ₂）
寸法：前記圧電アクチュエータの寸法に対して縦横とも約１．３倍
質量：前記圧電アクチュエータの質量の約１０倍

［比較例］
〔試料Ｎｏ．１〜３，９〕
上記実施例と同様にして、圧電アクチュエータおよび流路部材を得、前記圧電アクチュエータ（すなわち流路部材と接合前の圧電アクチュエータ）について、３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を５分間印加して圧電セラミック層の分極を行なった。ついで、上記実施例と同様にして、分極後の圧電アクチュエータを、流路部材の表面に、液体加圧室の直上に変位素子が配置するように接合して、各印刷ヘッドを得た（表１中の試料Ｎｏ．１〜３）。

また、圧電アクチュエータの形状を表１に示す形状（すなわち圧電アクチュエータの厚みが本発明の範囲外）にした以外は、上記実施例と同様にして、圧電アクチュエータおよび流路部材を得た。ついで、上記実施例と同様にして、この圧電アクチュエータ流路部材の表面に接合後、圧電アクチュエータに圧縮応力が加わった状態（流路部材の熱膨張係数が、圧電アクチュエータの熱膨張係数よりも大きい）で、３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を５分間印加して圧電セラミック層の分極を行ない、印刷ヘッドを得た（表１中の試料Ｎｏ．９）。

＜評価＞
上記で得られた印刷ヘッド（表１中の試料Ｎｏ．１〜１１）について、クラックの有無、結晶相ｃ/ａ、変位量（平均値・バラツキ）を評価した。各評価方法を以下に示すと共に、その結果を表１に併せて示す。

（クラックの有無）
圧電アクチュエータを流路部材に接合した際、圧電アクチュエータのクラックの発生の有無を目視観察により評価した。なお、評価基準は以下のように設定した。
評価基準
○：圧電アクチュエータにクラックが発生しない
×：圧電アクチュエータにクラックが発生した

（結晶相ｃ/ａ）
各圧電セラミック層の格子定数比ｃ／ａは、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）からａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数の比率を求めた。なお、この値が小さいほど、結晶相が安定化していることを示す。

（変位量）
変位量は、共通電極と個別電極との間に２５Ｖの直流電圧を印加し、室温にて周波数１０ｋＨｚのｓｉｎ波形で駆動した際の変位量を、レーザードップラー振動計にて１０箇所測定し、その平均値を算出するとともに、各値と平均値の差の最大の値を平均値で除して変位量のバラツキとした。

表１から明らかなように、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１〜３，９に対し、試料Ｎｏ．４〜８，１０および１１は、圧電アクチュエータにクラックがなく、変位量も優れているのがわかる。

（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる印刷ヘッド示す概略断面図であり、（ｂ）は、その平面図である。 図１（ａ）の圧電アクチュエータを示す拡大概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータのエージング工程を示す概略説明図である。 （ａ）は、従来の印刷ヘッドを示す概略断面図であり、（ｂ）は、その平面図である。

符号の説明

１ 振動板
２ 共通電極
３ 圧電セラミック層
４ 個別電極
５ 変位素子
１５ 圧電アクチュエータ
１６ 流路部材
１６ａ 液体加圧室
１６ｂ 隔壁
１８ 液体吐出孔
５０ａ，５０ｂ 基板

Claims (8)

1. 複数の液体加圧室を有する流路部材の表面に、
   振動板上に、共通電極、圧電セラミック層および個別電極をこの順に積層し、個別電極と共通電極で前記圧電セラミック層を挟持して構成される変位素子を有する厚み１００μｍ以下の圧電アクチュエータを、
   前記液体加圧室の直上に変位素子が配置するように接合する印刷ヘッドの製造方法であって、
   前記圧電アクチュエータを流路部材の表面に接合した後、該圧電アクチュエータに圧縮応力が加わった状態で、圧電アクチュエータの圧電セラミック層を分極することを特徴とする印刷ヘッドの製造方法。
2. 前記圧電アクチュエータを流路部材の表面に接合した時に、前記圧電アクチュエータに圧縮応力が加わり、その状態で圧電アクチュエータの圧電セラミック層を分極する請求項１記載の印刷ヘッドの製造方法。
3. 前記接合が、加熱工程および冷却工程を含み、該冷却工程において、前記圧電アクチュエータに圧縮応力が加わり、その状態で圧電アクチュエータの圧電セラミック層を分極する請求項１または２記載の印刷ヘッドの製造方法。
4. 前記接合前に、圧電アクチュエータのエージング工程を含み、該エージング工程は、接合前の前記圧電アクチュエータにエージング処理を施す工程、または接合前の前記圧電アクチュエータに荷重をかけた状態でエージング処理を施す工程である請求項１〜３のいずれかに記載の印刷ヘッドの製造方法。
5. 前記流路部材の熱膨張係数が、前記圧電アクチュエータの熱膨張係数よりも大きい請求項１〜４のいずれかに記載の印刷ヘッドの製造方法。
6. 前記圧電アクチュエータは、幅に対する厚みの比が２×１０^-4〜１×１０^-2である請求項１〜５のいずれかに記載の印刷ヘッドの製造方法。
7. 前記圧電アクチュエータは、前記圧電セラミック層の表面に前記個別電極を複数配列して、この個別電極と共通電極とで圧電セラミック層を挟持して構成される前記変位素子が複数形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の印刷ヘッドの製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の印刷ヘッドの製造方法によって製造されたことを特徴とする印刷ヘッド。

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