JP4348418B2 - 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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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。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧電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（発信子を含む）、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。
【０００３】
例えば、特許文献１には、複数の個別電極がそれぞれ電気的に絶縁されて配列された複数の圧電セラミック層と、共通電極が形成された複数の圧電セラミック層とが交互に積層されて形成された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が提案されている。こ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おいて、厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極はそれぞれ長尺状の形状であり、圧電アクチュエータの側面で電気的に接続されている（特許文献１の図５，６参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２２５２６９号公報の図５，図６
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の圧電アクチュエータは、複数の個別電極を圧電アクチュエータの側面でのみ電気的に接続しているため、縦横に複数の個別電極を配置することができないので、個別電極を高集積化するのが困難であるという問題がある。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、個別電極を高集積化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。
【０００７】
【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） 複数の個別電極がそれぞれ電気的に絶縁されて配列された複数の圧電セラミック層と、共通電極が形成された複数の圧電セラミック層とが交互に積層されて形成された圧電アクチュエータであって、厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極がビア電極を介して電気的に接続され、前記共通電極には、該共通電極が前記ビア電極と電気的に絶縁されるように、前記ビア電極が形成されている位置に電極のない非電極部が設けられ、この非電極部の長さが、これと同方向の前記ビア電極の長さよりも２０μｍ以上大きく、かつ前記個別電極は、圧電駆動に寄与する駆動部と、前記ビア電極に接続するために前記駆動部の一端から延設された非駆動部とを備え、前記非電極部が前記非駆動部と対向する位置に配置されているとともに、前記非駆動部における前記非電極部との対向部分の面積が、非駆動部の面積の５０％以上であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（２）前記複数の個別電極および前記共通電極のうち、最下層が前記共通電極であるとともに、該共通電極の前記ビア電極と厚み方向に重なる位置には、前記非電極部が設けられている（１）記載の圧電アクチュエータ。
（３） 前記非電極部が前記駆動部と実質的に対向していない位置に配置されている（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（４） 複数の前記圧電セラミック層に形成された各共通電極が、前記個別電極とは電気的に絶縁された部位において、共通電極用ビア電極を介して電気的に接続されている（１）〜（３）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
（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個別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。
【０００８】
前記(1)に記載の圧電アクチュエータによれば、厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極間における電気的接続が、ビア電極を介して施されているので、従来のように圧電アクチュエータの側面に露出した箇所だけでなく、圧電アクチュエータ内部においても個別電極を厚み方向に接続することができる。これにより、圧電セラミック層の表面において縦横に多数の個別電極を設けて、個別電極を高集積化することができる。また、共通電極には、複数の個別電極を接続するビア電極が形成されている位置に、電極のない非電極部が設けられていることにより共通電極が上記ビア電極と電気的に絶縁されているので、複数の個別電極を接続するビア電極と、共通電極とが短絡（ショート）するのを防止することができる。しかも、非電極部の長さが、これと同方向のビア電極の長さよりも２０μｍ以上大きいので、たとえ電極の印刷位置が少しずれた場合であっても、ビア電極と共通電極とが短絡するのを確実に防止することができる。ここで、「非電極部の長さ、ビア電極の長さ」とは、厚みを除く任意方向（縦方向、横方向）の寸法、円形の場合には径を意味するものである。
【０００９】
前記（１）に記載の圧電アクチュエータによれば、非電極部が非駆動部と対向する位置に配置されているので、非駆動部直下の圧電セラミック層の不必要な圧電駆動を抑制することができる。これにより、駆動部と該駆動部直下の圧電セラミック層と共通電極とにより形成される圧電変位部の変位に対して非駆動部が与える影響を低減することができ、しかも隣接する圧電変位部に与える影響（いわゆるクロストーク）をも低減することができるので、圧電変位部の変位量が低下するのを抑制するとともに圧電変位部の変位を安定化することができる。
【００１０】
前記（３）に記載の圧電アクチュエータによれば、非電極部が駆動部と実質的に対向していない位置に配置されているので、駆動部を効率的に圧電駆動に寄与させることができる。ここで、前記（３）に記載の「実質的に対向していない」とは、非電極部が駆動部の大部分または全領域と対向していないことを意味する。すなわち、非電極部を、圧電アクチュエータの厚み方向から駆動部が存在する平面に投影したときに、非電極部が駆動部の大部分または全領域と重なり合わないことをいう。
【００１１】
前記（４）記載の圧電アクチュエータによれば、共通電極がビア電極を介して電気的に接続されているので、複数の個別電極を接続するビア電極を形成する際に、共通電極用ビア電極をも同時に形成することができる。これにより、共通電極を接続するために製造工程を別途増やす必要がなくなり、工程の簡略化、生産効率の向上、コストアップ防止等を図ることができる。
【００１２】
前記（５）によれば、上記のような個別電極が高集積化された圧電アクチュエータを備えているので、縦横に多数配列され高集積化されたインク吐出孔を有するインクジェット記録ヘッドを得ることができる。
【００１３】
【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。
【００１４】
図１は本実施形態の圧電アクチュエータを示す断面図であり、図２はその平面図である。また、図３は、該圧電アクチュエータを示す拡大断面図である。図１〜図３に示すように、圧電アクチュエータ１１は、複数の個別電極１２がそれぞれ電気的に絶縁されて配列された複数の圧電セラミック層１３，１３，１３と、共通電極１４が形成された複数の圧電セラミック層１５，１５，１５とが交互に積層されて形成されている。最下層の圧電セラミック層１５の下部には振動板１９が積層されている。
【００１５】
個別電極１２は、圧電駆動に寄与する駆動部１２ａと、この駆動部１２ａの一端から延設された非駆動部１２ｂとを備えている。厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極１２は、上記した非駆動部１２ｂにおいてビア電極１７を介して電気的に接続されている。そして、最上層の非駆動部１２ｂには、図示しない配線基板を介して振動電圧信号を供給するドライブ回路が接続されている。
【００１６】
共通電極１４には、複数の個別電極１２を接続するビア電極１７が形成されている位置に、電極のない非電極部１４ａが設けられている。これにより、共通電極１４がビア電極１７と電気的に絶縁されている。複数の共通電極１４は、個別電極１２とは電気的に絶縁された部位である圧電アクチュエータ１１の端部において、共通電極用ビア電極１８を介して電気的に接続されている。このビア電極１８は、最上層の圧電セラミック層１３に形成された引出電極２０に電気的に接続され、さらにグランド電位に接続されている。これにより、個別電極１２の駆動部１２ａと共通電極１４との間に電圧を印加することができる。このようにして電圧を印加することにより、上記駆動部１２ａと、該駆動部１２ａ直下の圧電セラミック層１３と、共通電極１４とにより形成された複数の圧電変位部を圧電振動させることができる。
【００１７】
図４は共通電極１４、非電極部１４ａおよびビア電極１７の配置状態を示す概略図である。図４に示すように、非電極部１４ａの長さＬ１は、これと同方向のビア電極１７の長さＬ２よりも２０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上、より好ましくは４０〜３００μｍ大きくするのがよい。Ｌ１とＬ２との差（Ｌ１−Ｌ２）が２０μｍ未満になると、共通電極１４とビア電極１７とが短絡するおそれがある。ビア電極１７，１８の長さは、非電極部１４ａ、駆動部１２ａ、引出電極２０などの大きさに応じて設定すればよく、特に限定されないが、通常、１００〜４００μｍ、好ましくは１５０〜２５０μｍであるのがよい。
【００１８】
非電極部１４ａは、駆動部１２ａと実質的に対向していない位置、すなわち駆動部１２ａの大部分または全領域と対向していない位置に配置されているのがよい。具体的には、非電極部１４ａは、好ましくは駆動部１２ａの面積の７０％以上を占める部分、より好ましくは駆動部１２ａの面積の９０％以上を占める部分、さらに好ましくは駆動部１２ａの全領域と対向していない位置に配置されているのがよい。これにより、駆動部１２ａを効率的に圧電駆動に寄与させることができる。
【００１９】
また、非電極部１４ａは、非駆動部１２ｂと対向する位置に配置されている。非駆動部１２ｂにおける非電極部１４ａとの対向部分の面積が、非駆動部１２ｂの面積の５０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは９０％以上である。これにより、駆動部１２ａと、該駆動部１２ａ直下の圧電セラミック層１３と、共通電極１４とにより形成されている圧電変位部の変位に対して、非駆動部１２ｂが与える影響を低減することができる。しかも、非駆動部１２ｂが隣接する圧電変位部に与える影響（クロストーク）をも低減することができる。
【００２０】
圧電セラミック層１３，１５としては、例えば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のペロブスカイト結晶構造型の材料が好適に用いられる。これらの中でも、特にＰｂＺｒＴｉＯ3系化合物（ＰＺＴ）が大きな変位を得られる点で好ましい。圧電セラミック層１３，１５の厚みは、特に限定されないが、３０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは８〜１５μｍであるのがよい。
【００２１】
振動板１９は、絶縁性の高いものであれば良いが、圧電体であること、特に圧電セラミック層１３，１５と略同一の熱膨張率を有するものであることが好ましく、圧電セラミック層１３，１５と略同一の組成であることがより好ましい。これにより、同時焼成が可能となり、熱膨張差に起因して焼成時に発生する熱応力によって反りや歪みが生じるのを防止することが容易となる。振動板１９の厚みは、特に限定されないが、８０μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下、より好ましくは２０〜５０μｍであるのがよい。圧電アクチュエータ１１の総厚みは４００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは６０〜１５０μｍであるのがよい。
【００２２】
また、圧電セラミック層１３，１５および振動板１９は気孔率が１％以下、特に０．８％以下、更には０．５％以下であることが、インク等の液体の染み込みを効果的に防止でき、インク漏れを低減することができるので好ましい。
【００２３】
個別電極１２、共通電極１４、ビア電極１７，１８および引出電極２０の材質としては、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、Ｒｈ、Ｎｉ系材料の単独または２種以上を組み合わせた合金などが用いられる。特に、共通電極１４としてはＡｇ−Ｐｄ系合金を使用するのが好ましく、個別電極１２としては電気抵抗および耐食性に優れるという点でＡｕを使用するのが好ましい。なお、個別電極１２の駆動部１２ａと非駆動部１２ｂとは、同じ材質で同時に形成するのがよい。
【００２４】
共通電極１４の厚みは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度であるのがよく、０．５〜８μｍ、好ましくは１〜３μｍであるのがよい。個別電極１２の厚みは０．３〜５μｍ、好ましくは０．５〜２μｍであるのがよい。
【００２５】
本発明における非電極部１４ａの材質は、個別電極１２と共通電極１４との間に電圧を印加した際に、非電極部１４ａの上下に位置する圧電セラミック層が圧電振動しない非電極材料であれば特に限定されない。例えば、非電極材料としては、アルミナ、窒化珪素などの絶縁材料や、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の圧電材料が挙げられる。特に、焼成時の収縮を均一にするという点で、非電極部１４ａを圧電セラミック層１３，１５と同一の圧電材料で形成するのが好ましい。
【００２６】
次に、圧電アクチュエータ１１の製造方法について説明する。まず、前記した圧電セラミックスの粉末を用いてグリーンシートを必要枚数形成した後、このグリーンシートにビア電極１７，１８用の貫通孔を形成する。
【００２７】
ついで、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とともに、対応するグリーンシートに共通電極パターン、個別電極パターン、引出電極パターンをそれぞれ形成する。このとき、共通電極パターンには、図３に示す非駆動部１２ｂに対向する位置に、非電極部１４ａを形成するための開口部を形成しておく。開口部を形成するには、共通電極パターンを形成するためのスクリーン製版における開口部に該当する個所に開口を設けずに共通電極ペーストを印刷すればよい。これにより、開口部に該当する箇所には、共通電極ペーストが印刷されない。
【００２８】
ついで、上記のようにして得られた各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作製する。得られた積層体には、電極のない非電極部１４ａが形成されている。この非電極部１４ａは、前記したように圧電材料などの非電極材料が充填されていてもよいが、特に圧電セラミック層１３，１５と同一の圧電材料が充填されているのが好ましい。非電極部１４ａに非電極材料を充填する方法としては、以下の２通りの方法を例示できる。
【００２９】
第１の方法では、非電極部１４ａは、焼成後に圧電セラミック層１３となる圧電材料が、前記開口部に入り込んで充填されることにより形成される。したがって、非電極部１４ａは圧電セラミック層１３と連続した一体化物となる。
【００３０】
第２の方法では、非電極部１４ａは、圧電セラミック層１５の表面に共通電極パターンを形成した後、共通電極パターンとほぼ同じ厚みの非電極材料を前記開口部にスクリーン印刷などにより予め充填しておき、その後、各圧電セラミック層を積層する。
【００３１】
上記のようにして得られた積層体を所定の形状に切断した後、９００〜１１００℃程度で焼成することにより圧電アクチュエータ１１を得ることができる。
【００３２】
次に、本発明のインクジェット記録ヘッドについて説明する。図５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１１を、インク吐出口５２を有する複数のインク流路５３が配列された流路部材５１上に、インク流路５３と個別電極１２の駆動部１２ａとの位置を揃えて取り付けたものである。
【００３３】
流路部材５１は圧延法等によって得られ、インク吐出孔５２およびインク流路５３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５１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。
【００３４】
圧電アクチュエータ１１と流路部材５１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１１や流路部材５１への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１３０〜２５０℃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１１と流路部材５１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。
【００３５】
＜他の実施形態＞
図６は、本発明の他の実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す断面図である。図６に示すように、この圧電アクチュエータ１１’では、最下層の共通電極１４’には非電極部が設けられていない。複数の個別電極１２を接続するビア電極１７は、最下層の共通電極１４’までは延設されていないので、この共通電極１４’には非電極部を設けなくても共通電極と個別電極とが短絡することはない。ただし、図１に示す圧電アクチュエータ１１のように最下層の共通電極１４にも、最上層および２層目の共通電極１４と同様の位置に、非電極部１４ａを設けることによって、最下層においても非駆動部１２ｂ直下の圧電セラミック層１３の不必要な圧電駆動を抑制することができる。
【００３６】
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。
【００３７】
例えば、駆動部、非駆動部、非電極部、ビア電極などの形状、圧電セラミック層、共通電極などの積層枚数等は、特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜調整すればよい。
【００３８】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を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。
【００３９】
実施例
Ａｕからなる厚み１μｍの個別電極が配列された、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする複数の圧電セラミック層と、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる厚み２μｍの共通電極が形成された、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする複数の圧電セラミック層とを交互に積層した、図１に示すような構成の圧電アクチュエータ１１を作製した（試料No.１〜８）。ビア電極１７，１８の材料としては、Ａｇ−Ｐｄを用い、引出電極２０の材料としては、Ａｕを用いた。
【００４０】
図７は、試料No.１〜８の圧電アクチュエータ１１に設けた個別電極１２を示す平面図である。この個別電極１２は、非駆動部１２ｂの横の長さＬ３を２５０μｍ、縦の長さＬ４を８００μｍとした。また、ビア電極１７の長さ（直径）Ｌ２は２００μｍとした。
【００４１】
各試料の非電極部１４ａの長さは表１に示す値とした。試料No.１〜４の非電極部１４ａは平面形状を円形とし、試料No.５〜８の非電極部１４ａは平面形状を長方形とした。これらの長さを表１にそれぞれ示す。非駆動部１２ｂにおける非電極部との対向部分が占める面積割合も表１に併せて示す。なお、この面積割合は、共通電極１４を形成する際に、非電極部１４ａの形成位置を調節することによって変化させた。
【００４２】
＜性能確認試験＞
各試料の共通電極１４および個別電極１２に電圧を印加して非電極部１４ａと個別電極１２に接続されたビア電極１７とが短絡（ショート）するか否か確認した。その結果、非電極部１４ａの長さがビア電極１７の長さよりも２０μｍ以上大きい試料３〜８では短絡することはなかったが、非電極部１４ａの長さとビア電極１７の長さとの差が２０μｍ未満の試料１，２では短絡した。
【００４３】
次に、試料１〜８の共通電極１４および個別電極１２に電圧を印加したときの変位量をレーザードップラー振動計により測定した。なお、表１に示す変位量Ａとは、変位量計測の対象である圧電変位部のみを駆動させたときの変位量であり、変位量Ｂとは、計測対象の圧電変位部だけでなく、その周囲に配置された８つの圧電変位部も同時に駆動させたときの変位量である。表１に示す変位量の低下率は、変位量Ａと変位量Ｂとの差を変位量Ａで割り１００倍することにより算出した。その結果、各試料とも変位量の低下は比較的少ないが、特に、前記面積割合が５０％以上であれば、変位量の低下は非常に少なく、クロストークの影響をより受けにくいことが確認できた。
【表１】
【００４４】
【発明の効果】
本発明の前記圧電アクチュエータによれば、厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極間における電気的接続がビア電極を介して施されているので、圧電セラミック層に多数の個別電極を設けて、個別電極を高集積化することができる。また、共通電極には、複数の個別電極を接続するビア電極が形成されている位置に、電極のない非電極部が設けられていることにより共通電極が上記ビア電極と電気的に絶縁されているので、複数の個別電極を接続するビア電極と、共通電極とが短絡（ショート）するのを防止することができる。しかも、非電極部の長さが、これと同方向のビア電極の長さよりも２０μｍ以上大きいので、たとえ電極の印刷位置が少しずれた場合であっても、ビア電極と共通電極とが短絡するのを確実に防止することができる。これにより、高集積化された高品質の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を示す断面図である。
【図２】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３】図１の一部を拡大した拡大断面図である。
【図４】本発明の圧電アクチュエータにおける共通電極、非電極部およびビア電極の配置状態を示す概略図である。
【図５】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を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図７】実施例において作製した圧電アクチュエータにおける個別電極を示す平面図である。
【符号の説明】
１１ 圧電アクチュエータ
１２ 個別電極
１２ａ 駆動部
１２ｂ 非駆動部
１３ 圧電セラミック層
１４ 共通電極
１４ａ 非電極部
１５ 圧電セラミック層
１７ ビア電極
１８ 共通電極用ビア電極
１９ 振動板
２０ 引出電極
【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。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧電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（発信子を含む）、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。
【０００３】
例えば、特許文献１には、複数の個別電極がそれぞれ電気的に絶縁されて配列された複数の圧電セラミック層と、共通電極が形成された複数の圧電セラミック層とが交互に積層されて形成された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が提案されている。こ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おいて、厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極はそれぞれ長尺状の形状であり、圧電アクチュエータの側面で電気的に接続されている（特許文献１の図５，６参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２２５２６９号公報の図５，図６
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の圧電アクチュエータは、複数の個別電極を圧電アクチュエータの側面でのみ電気的に接続しているため、縦横に複数の個別電極を配置することができないので、個別電極を高集積化するのが困難であるという問題がある。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、個別電極を高集積化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。
【０００７】
【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） 複数の個別電極がそれぞれ電気的に絶縁されて配列された複数の圧電セラミック層と、共通電極が形成された複数の圧電セラミック層とが交互に積層されて形成された圧電アクチュエータであって、厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極がビア電極を介して電気的に接続され、前記共通電極には、該共通電極が前記ビア電極と電気的に絶縁されるように、前記ビア電極が形成されている位置に電極のない非電極部が設けられ、この非電極部の長さが、これと同方向の前記ビア電極の長さよりも２０μｍ以上大きく、かつ前記個別電極は、圧電駆動に寄与する駆動部と、前記ビア電極に接続するために前記駆動部の一端から延設された非駆動部とを備え、前記非電極部が前記非駆動部と対向する位置に配置されているとともに、前記非駆動部における前記非電極部との対向部分の面積が、非駆動部の面積の５０％以上であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（２）前記複数の個別電極および前記共通電極のうち、最下層が前記共通電極であるとともに、該共通電極の前記ビア電極と厚み方向に重なる位置には、前記非電極部が設けられている（１）記載の圧電アクチュエータ。
（３） 前記非電極部が前記駆動部と実質的に対向していない位置に配置されている（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（４） 複数の前記圧電セラミック層に形成された各共通電極が、前記個別電極とは電気的に絶縁された部位において、共通電極用ビア電極を介して電気的に接続されている（１）〜（３）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
（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個別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。
【０００８】
前記(1)に記載の圧電アクチュエータによれば、厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極間における電気的接続が、ビア電極を介して施されているので、従来のように圧電アクチュエータの側面に露出した箇所だけでなく、圧電アクチュエータ内部においても個別電極を厚み方向に接続することができる。これにより、圧電セラミック層の表面において縦横に多数の個別電極を設けて、個別電極を高集積化することができる。また、共通電極には、複数の個別電極を接続するビア電極が形成されている位置に、電極のない非電極部が設けられていることにより共通電極が上記ビア電極と電気的に絶縁されているので、複数の個別電極を接続するビア電極と、共通電極とが短絡（ショート）するのを防止することができる。しかも、非電極部の長さが、これと同方向のビア電極の長さよりも２０μｍ以上大きいので、たとえ電極の印刷位置が少しずれた場合であっても、ビア電極と共通電極とが短絡するのを確実に防止することができる。ここで、「非電極部の長さ、ビア電極の長さ」とは、厚みを除く任意方向（縦方向、横方向）の寸法、円形の場合には径を意味するものである。
【０００９】
前記（１）に記載の圧電アクチュエータによれば、非電極部が非駆動部と対向する位置に配置されているので、非駆動部直下の圧電セラミック層の不必要な圧電駆動を抑制することができる。これにより、駆動部と該駆動部直下の圧電セラミック層と共通電極とにより形成される圧電変位部の変位に対して非駆動部が与える影響を低減することができ、しかも隣接する圧電変位部に与える影響（いわゆるクロストーク）をも低減することができるので、圧電変位部の変位量が低下するのを抑制するとともに圧電変位部の変位を安定化することができる。
【００１０】
前記（３）に記載の圧電アクチュエータによれば、非電極部が駆動部と実質的に対向していない位置に配置されているので、駆動部を効率的に圧電駆動に寄与させることができる。ここで、前記（３）に記載の「実質的に対向していない」とは、非電極部が駆動部の大部分または全領域と対向していないことを意味する。すなわち、非電極部を、圧電アクチュエータの厚み方向から駆動部が存在する平面に投影したときに、非電極部が駆動部の大部分または全領域と重なり合わないことをいう。
【００１１】
前記（４）記載の圧電アクチュエータによれば、共通電極がビア電極を介して電気的に接続されているので、複数の個別電極を接続するビア電極を形成する際に、共通電極用ビア電極をも同時に形成することができる。これにより、共通電極を接続するために製造工程を別途増やす必要がなくなり、工程の簡略化、生産効率の向上、コストアップ防止等を図ることができる。
【００１２】
前記（５）によれば、上記のような個別電極が高集積化された圧電アクチュエータを備えているので、縦横に多数配列され高集積化されたインク吐出孔を有するインクジェット記録ヘッドを得ることができる。
【００１３】
【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。
【００１４】
図１は本実施形態の圧電アクチュエータを示す断面図であり、図２はその平面図である。また、図３は、該圧電アクチュエータを示す拡大断面図である。図１〜図３に示すように、圧電アクチュエータ１１は、複数の個別電極１２がそれぞれ電気的に絶縁されて配列された複数の圧電セラミック層１３，１３，１３と、共通電極１４が形成された複数の圧電セラミック層１５，１５，１５とが交互に積層されて形成されている。最下層の圧電セラミック層１５の下部には振動板１９が積層されている。
【００１５】
個別電極１２は、圧電駆動に寄与する駆動部１２ａと、この駆動部１２ａの一端から延設された非駆動部１２ｂとを備えている。厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極１２は、上記した非駆動部１２ｂにおいてビア電極１７を介して電気的に接続されている。そして、最上層の非駆動部１２ｂには、図示しない配線基板を介して振動電圧信号を供給するドライブ回路が接続されている。
【００１６】
共通電極１４には、複数の個別電極１２を接続するビア電極１７が形成されている位置に、電極のない非電極部１４ａが設けられている。これにより、共通電極１４がビア電極１７と電気的に絶縁されている。複数の共通電極１４は、個別電極１２とは電気的に絶縁された部位である圧電アクチュエータ１１の端部において、共通電極用ビア電極１８を介して電気的に接続されている。このビア電極１８は、最上層の圧電セラミック層１３に形成された引出電極２０に電気的に接続され、さらにグランド電位に接続されている。これにより、個別電極１２の駆動部１２ａと共通電極１４との間に電圧を印加することができる。このようにして電圧を印加することにより、上記駆動部１２ａと、該駆動部１２ａ直下の圧電セラミック層１３と、共通電極１４とにより形成された複数の圧電変位部を圧電振動させることができる。
【００１７】
図４は共通電極１４、非電極部１４ａおよびビア電極１７の配置状態を示す概略図である。図４に示すように、非電極部１４ａの長さＬ１は、これと同方向のビア電極１７の長さＬ２よりも２０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上、より好ましくは４０〜３００μｍ大きくするのがよい。Ｌ１とＬ２との差（Ｌ１−Ｌ２）が２０μｍ未満になると、共通電極１４とビア電極１７とが短絡するおそれがある。ビア電極１７，１８の長さは、非電極部１４ａ、駆動部１２ａ、引出電極２０などの大きさに応じて設定すればよく、特に限定されないが、通常、１００〜４００μｍ、好ましくは１５０〜２５０μｍであるのがよい。
【００１８】
非電極部１４ａは、駆動部１２ａと実質的に対向していない位置、すなわち駆動部１２ａの大部分または全領域と対向していない位置に配置されているのがよい。具体的には、非電極部１４ａは、好ましくは駆動部１２ａの面積の７０％以上を占める部分、より好ましくは駆動部１２ａの面積の９０％以上を占める部分、さらに好ましくは駆動部１２ａの全領域と対向していない位置に配置されているのがよい。これにより、駆動部１２ａを効率的に圧電駆動に寄与させることができる。
【００１９】
また、非電極部１４ａは、非駆動部１２ｂと対向する位置に配置されている。非駆動部１２ｂにおける非電極部１４ａとの対向部分の面積が、非駆動部１２ｂの面積の５０％以上、好ましくは７０％以上、より好ましくは９０％以上である。これにより、駆動部１２ａと、該駆動部１２ａ直下の圧電セラミック層１３と、共通電極１４とにより形成されている圧電変位部の変位に対して、非駆動部１２ｂが与える影響を低減することができる。しかも、非駆動部１２ｂが隣接する圧電変位部に与える影響（クロストーク）をも低減することができる。
【００２０】
圧電セラミック層１３，１５としては、例えば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のペロブスカイト結晶構造型の材料が好適に用いられる。これらの中でも、特にＰｂＺｒＴｉＯ3系化合物（ＰＺＴ）が大きな変位を得られる点で好ましい。圧電セラミック層１３，１５の厚みは、特に限定されないが、３０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは８〜１５μｍであるのがよい。
【００２１】
振動板１９は、絶縁性の高いものであれば良いが、圧電体であること、特に圧電セラミック層１３，１５と略同一の熱膨張率を有するものであることが好ましく、圧電セラミック層１３，１５と略同一の組成であることがより好ましい。これにより、同時焼成が可能となり、熱膨張差に起因して焼成時に発生する熱応力によって反りや歪みが生じるのを防止することが容易となる。振動板１９の厚みは、特に限定されないが、８０μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下、より好ましくは２０〜５０μｍであるのがよい。圧電アクチュエータ１１の総厚みは４００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは６０〜１５０μｍであるのがよい。
【００２２】
また、圧電セラミック層１３，１５および振動板１９は気孔率が１％以下、特に０．８％以下、更には０．５％以下であることが、インク等の液体の染み込みを効果的に防止でき、インク漏れを低減することができるので好ましい。
【００２３】
個別電極１２、共通電極１４、ビア電極１７，１８および引出電極２０の材質としては、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、Ｒｈ、Ｎｉ系材料の単独または２種以上を組み合わせた合金などが用いられる。特に、共通電極１４としてはＡｇ−Ｐｄ系合金を使用するのが好ましく、個別電極１２としては電気抵抗および耐食性に優れるという点でＡｕを使用するのが好ましい。なお、個別電極１２の駆動部１２ａと非駆動部１２ｂとは、同じ材質で同時に形成するのがよい。
【００２４】
共通電極１４の厚みは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度であるのがよく、０．５〜８μｍ、好ましくは１〜３μｍであるのがよい。個別電極１２の厚みは０．３〜５μｍ、好ましくは０．５〜２μｍであるのがよい。
【００２５】
本発明における非電極部１４ａの材質は、個別電極１２と共通電極１４との間に電圧を印加した際に、非電極部１４ａの上下に位置する圧電セラミック層が圧電振動しない非電極材料であれば特に限定されない。例えば、非電極材料としては、アルミナ、窒化珪素などの絶縁材料や、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の圧電材料が挙げられる。特に、焼成時の収縮を均一にするという点で、非電極部１４ａを圧電セラミック層１３，１５と同一の圧電材料で形成するのが好ましい。
【００２６】
次に、圧電アクチュエータ１１の製造方法について説明する。まず、前記した圧電セラミックスの粉末を用いてグリーンシートを必要枚数形成した後、このグリーンシートにビア電極１７，１８用の貫通孔を形成する。
【００２７】
ついで、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とともに、対応するグリーンシートに共通電極パターン、個別電極パターン、引出電極パターンをそれぞれ形成する。このとき、共通電極パターンには、図３に示す非駆動部１２ｂに対向する位置に、非電極部１４ａを形成するための開口部を形成しておく。開口部を形成するには、共通電極パターンを形成するためのスクリーン製版における開口部に該当する個所に開口を設けずに共通電極ペーストを印刷すればよい。これにより、開口部に該当する箇所には、共通電極ペーストが印刷されない。
【００２８】
ついで、上記のようにして得られた各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作製する。得られた積層体には、電極のない非電極部１４ａが形成されている。この非電極部１４ａは、前記したように圧電材料などの非電極材料が充填されていてもよいが、特に圧電セラミック層１３，１５と同一の圧電材料が充填されているのが好ましい。非電極部１４ａに非電極材料を充填する方法としては、以下の２通りの方法を例示できる。
【００２９】
第１の方法では、非電極部１４ａは、焼成後に圧電セラミック層１３となる圧電材料が、前記開口部に入り込んで充填されることにより形成される。したがって、非電極部１４ａは圧電セラミック層１３と連続した一体化物となる。
【００３０】
第２の方法では、非電極部１４ａは、圧電セラミック層１５の表面に共通電極パターンを形成した後、共通電極パターンとほぼ同じ厚みの非電極材料を前記開口部にスクリーン印刷などにより予め充填しておき、その後、各圧電セラミック層を積層する。
【００３１】
上記のようにして得られた積層体を所定の形状に切断した後、９００〜１１００℃程度で焼成することにより圧電アクチュエータ１１を得ることができる。
【００３２】
次に、本発明のインクジェット記録ヘッドについて説明する。図５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１１を、インク吐出口５２を有する複数のインク流路５３が配列された流路部材５１上に、インク流路５３と個別電極１２の駆動部１２ａとの位置を揃えて取り付けたものである。
【００３３】
流路部材５１は圧延法等によって得られ、インク吐出孔５２およびインク流路５３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５１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。
【００３４】
圧電アクチュエータ１１と流路部材５１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１１や流路部材５１への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１３０〜２５０℃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１１と流路部材５１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。
【００３５】
＜他の実施形態＞
図６は、本発明の他の実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す断面図である。図６に示すように、この圧電アクチュエータ１１’では、最下層の共通電極１４’には非電極部が設けられていない。複数の個別電極１２を接続するビア電極１７は、最下層の共通電極１４’までは延設されていないので、この共通電極１４’には非電極部を設けなくても共通電極と個別電極とが短絡することはない。ただし、図１に示す圧電アクチュエータ１１のように最下層の共通電極１４にも、最上層および２層目の共通電極１４と同様の位置に、非電極部１４ａを設けることによって、最下層においても非駆動部１２ｂ直下の圧電セラミック層１３の不必要な圧電駆動を抑制することができる。
【００３６】
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。
【００３７】
例えば、駆動部、非駆動部、非電極部、ビア電極などの形状、圧電セラミック層、共通電極などの積層枚数等は、特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜調整すればよい。
【００３８】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を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。
【００３９】
実施例
Ａｕからなる厚み１μｍの個別電極が配列された、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする複数の圧電セラミック層と、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる厚み２μｍの共通電極が形成された、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする複数の圧電セラミック層とを交互に積層した、図１に示すような構成の圧電アクチュエータ１１を作製した（試料No.１〜８）。ビア電極１７，１８の材料としては、Ａｇ−Ｐｄを用い、引出電極２０の材料としては、Ａｕを用いた。
【００４０】
図７は、試料No.１〜８の圧電アクチュエータ１１に設けた個別電極１２を示す平面図である。この個別電極１２は、非駆動部１２ｂの横の長さＬ３を２５０μｍ、縦の長さＬ４を８００μｍとした。また、ビア電極１７の長さ（直径）Ｌ２は２００μｍとした。
【００４１】
各試料の非電極部１４ａの長さは表１に示す値とした。試料No.１〜４の非電極部１４ａは平面形状を円形とし、試料No.５〜８の非電極部１４ａは平面形状を長方形とした。これらの長さを表１にそれぞれ示す。非駆動部１２ｂにおける非電極部との対向部分が占める面積割合も表１に併せて示す。なお、この面積割合は、共通電極１４を形成する際に、非電極部１４ａの形成位置を調節することによって変化させた。
【００４２】
＜性能確認試験＞
各試料の共通電極１４および個別電極１２に電圧を印加して非電極部１４ａと個別電極１２に接続されたビア電極１７とが短絡（ショート）するか否か確認した。その結果、非電極部１４ａの長さがビア電極１７の長さよりも２０μｍ以上大きい試料３〜８では短絡することはなかったが、非電極部１４ａの長さとビア電極１７の長さとの差が２０μｍ未満の試料１，２では短絡した。
【００４３】
次に、試料１〜８の共通電極１４および個別電極１２に電圧を印加したときの変位量をレーザードップラー振動計により測定した。なお、表１に示す変位量Ａとは、変位量計測の対象である圧電変位部のみを駆動させたときの変位量であり、変位量Ｂとは、計測対象の圧電変位部だけでなく、その周囲に配置された８つの圧電変位部も同時に駆動させたときの変位量である。表１に示す変位量の低下率は、変位量Ａと変位量Ｂとの差を変位量Ａで割り１００倍することにより算出した。その結果、各試料とも変位量の低下は比較的少ないが、特に、前記面積割合が５０％以上であれば、変位量の低下は非常に少なく、クロストークの影響をより受けにくいことが確認できた。
【表１】
【発明の効果】
本発明の前記圧電アクチュエータによれば、厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極間における電気的接続がビア電極を介して施されているので、圧電セラミック層に多数の個別電極を設けて、個別電極を高集積化することができる。また、共通電極には、複数の個別電極を接続するビア電極が形成されている位置に、電極のない非電極部が設けられていることにより共通電極が上記ビア電極と電気的に絶縁されているので、複数の個別電極を接続するビア電極と、共通電極とが短絡（ショート）するのを防止することができる。しかも、非電極部の長さが、これと同方向のビア電極の長さよりも２０μｍ以上大きいので、たとえ電極の印刷位置が少しずれた場合であっても、ビア電極と共通電極とが短絡するのを確実に防止することができる。これにより、高集積化された高品質の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を示す断面図である。
【図２】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３】図１の一部を拡大した拡大断面図である。
【図４】本発明の圧電アクチュエータにおける共通電極、非電極部およびビア電極の配置状態を示す概略図である。
【図５】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を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図７】実施例において作製した圧電アクチュエータにおける個別電極を示す平面図である。
【符号の説明】
１１ 圧電アクチュエータ
１２ 個別電極
１２ａ 駆動部
１２ｂ 非駆動部
１３ 圧電セラミック層
１４ 共通電極
１４ａ 非電極部
１５ 圧電セラミック層
１７ ビア電極
１８ 共通電極用ビア電極
１９ 振動板
２０ 引出電極
Claims (5)
- 複数の個別電極がそれぞれ電気的に絶縁されて配列された複数の圧電セラミック層と、共通電極が形成された複数の圧電セラミック層とが交互に積層されて形成された圧電アクチュエータであって、
厚み方向に略同一の位置に配置された複数の個別電極がビア電極を介して電気的に接続され、前記共通電極には、該共通電極が前記ビア電極と電気的に絶縁されるように、前記ビア電極が形成されている位置に電極のない非電極部が設けられ、この非電極部の長さが、これと同方向の前記ビア電極の長さよりも２０μｍ以上大きく、かつ前記個別電極は、圧電駆動に寄与する駆動部と、前記ビア電極に接続するために前記駆動部の一端から延設された非駆動部とを備え、前記非電極部が前記非駆動部と対向する位置に配置されているとともに、前記非駆動部における前記非電極部との対向部分の面積が、非駆動部の面積の５０％以上であることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記複数の個別電極および前記共通電極のうち、最下層が前記共通電極であるとともに、該共通電極の前記ビア電極と厚み方向に重なる位置には、前記非電極部が設けられている請求項１記載の圧電アクチュエータ。
- 前記非電極部が前記駆動部と実質的に対向していない位置に配置されている請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
- 複数の前記圧電セラミック層に形成された各共通電極が、前記個別電極とは電気的に絶縁された部位において、共通電極用ビア電極を介して電気的に接続されている請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
- 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個別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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