JP4485139B2 - 圧電アクチュエータ、インクジェット記録ヘッドおよびこれらの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ、インクジェット記録ヘッドおよびこれらの製造方法に関し、特に多階調化やカラー化が容易で高密度記録が可能な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、インクジェット記録ヘッドおよびこれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、多階調化やカラー化が容易で、ランニングコストを低く抑えることのできる圧電アクチュエータを備えた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。かかる記録装置にはインクジェット記録ヘッドが搭載されている。そして、近年の圧電アクチュエータ素子の高密度化に対応するため、圧電アクチュエータ表面の中央部に複数の個別電極が形成されたインクジェット記録ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図５は、上記のようなインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。同図に示すように、このインクジェット記録ヘッドは、積層された複数の圧電セラミック層６５，６６，６７と、これらの圧電セラミック層の間に配置された共通電極６８，６９と、最上層の圧電セラミック層６５の表面に配列された複数の個別電極７９と、共通電極６８，６９に蓄積された電荷を放電するために個別電極７９と同一面上に設けられかつ貫通導体７１により共通電極６８，６９に接続された引出電極７７とを備えた圧電アクチュエータ７３を、インク吐出口５１を有する複数のインク流路５５を備えた流路部材５７上に、インク流路５５と個別電極７９との位置を揃えて取り付けるとともに、接続端子６１を介して引出電極７７および個別電極７９にフレキシブルフラットケーブル６３を接続して構成されている。
【０００４】
図６は圧電アクチュエータ７３を示す平面図である。同図に示すように、個別電極７９は、圧電駆動に寄与する駆動部８１と、この駆動部８１の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部８２とを備えている。また、引出電極７７は長辺および短辺を有する矩形状に形成されている。
【０００５】
そして、近年では、高密度記録の要求とともに、圧電アクチュエータ７３を構成する素子のさらなる増加および高集積化が求められており、素子の小型化に伴って、個別電極７９を構成する駆動部８１およびランド部８２の小面積化が必要とされている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５および図６に示すようなインクジェット記録ヘッドでは、フレキシブルフラットケーブル６３の配線パターンを引出電極７７とランド部８２に接続する際に、引出電極７７やその下部の圧電セラミック層６５にクラックが発生するという問題があった。また、ランド部８２と配線パターンとの接続が不十分になることにより電気抵抗のばらつきが生じて、圧電アクチュエータ７３の駆動ばらつきが大きくなるという問題があった。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、フレキシブルフラットケーブルの接続によりクラックが発生せず、フレキシブルフラットケーブルの配線パターンとの電気的接続を高めることができる圧電アクチュエータ、これを備えたインクジェット記録ヘッドおよびこれらの製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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、引出電極は面積が大きい一方で、各ランド部は、個別電極を高密度に配置するために面積が小さくなるように形成されているために、引出電極と各ランド部とは面積が大きく異なっているので、スクリーン印刷を用いて引出電極と個別電極とを形成する際に、印刷された導電性ペーストのたれが原因で、幅の大きな引出電極と幅の小さなランド部との間で厚みに差が生じ易いという事実を見出した。
【００１０】
そして、上記のように引出電極とランド部の厚みが異なった状態で、フレキシブルフラットケーブルの配線パターンを引出電極とランド部に半田付けなどで接続すると、厚い方の引出電極に大きな荷重がかかり、引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックが発生し、一方、厚みの薄いランド部は配線パターンとの接続が不十分になり電気抵抗のばらつきが生じて、圧電アクチュエータの駆動ばらつきが大きくなるのである。
【００１１】
これらの事実に基づいて、本発明者らはさらに研究を重ねた結果、圧電アクチュエータにおけるランド部の厚みと引出電極の厚みとが所定の関係を満足するときには、引出電極に大きな荷重がかかるのを防止して引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックが発生するのを防止することができるとともに、ランド部と配線パターンとを確実に接続して圧電アクチュエータの駆動ばらつきが生じるのを抑制することができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明の圧電アクチュエータは以下の構成からなる。
(1) 積層された複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に配列された複数の個別電極と、該個別電極と同一面上に設けられかつ前記共通電極に接続された引出電極とを備え、前記個別電極が、圧電駆動に寄与する駆動部とこの駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部とを備え、前記引出電極および前記個別電極のランド部にフレキシブルフラットケーブルが接続される圧電アクチュエータであって、前記引出電極および前記ランド部が、いずれも下段と上段とからなる２段形状であり、前記ランド部の厚みｔ１と前記引出電極の厚みｔ２とが、｜ｔ１−ｔ２｜≦４μｍの関係を満足するとともに、前記引出電極が長辺および短辺を有する矩形状であり、前記ランド部の下段の幅ｗ１と前記引出電極の下段の短辺方向の幅ｗ２とが、０．５≦（ｗ２／ｗ１）≦２の関係を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(2) 前記ランド部の厚みｔ１と前記引出電極の厚みｔ２とが｜ｔ１−ｔ２｜≦１μｍの関係を満足する(1)記載の圧電アクチュエータ。
(3) 前記ランド部における前記上段の幅をｗ３としたときに、ｗ１とｗ３とが（ｗ３／ｗ１）＜１の関係を満足する(1)または(2)記載の圧電アクチュエータ。
(4) 前記引出電極における前記上段の短辺方向の幅をｗ４としたときに、ｗ２とｗ４とが（ｗ４／ｗ２）＜１の関係を満足する(1)〜(3)のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【００１３】
上記の圧電アクチュエータはインクジェット記録ヘッドに好適に用いることができる。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と、この圧電アクチュエータの有する前記引出電極および前記個別電極のランド部に接続されたフレキシブルフラットケーブルと、インク吐出口を有する複数のインク流路が設けられ、このインク流路と前記個別電極との位置を揃えて、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材とを備えていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【００１４】
上記した圧電アクチュエータの製造方法は、以下の構成からなる。
(6) 積層された複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に配列された複数の個別電極と、該個別電極と同一面上に設けられかつ前記共通電極に接続された引出電極とを備え、前記個別電極が、圧電駆動に寄与する駆動部とこの駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部とを備え、前記引出電極および前記個別電極のランド部にフレキシブルフラットケーブルが接続される圧電アクチュエータの製造方法であって、前記圧電セラミック層となる圧電体シートに貫通孔を形成する工程と、該貫通孔が形成された前記圧電体シートに導電性ペーストを印刷して前記圧電体シートの略全面に前記貫通孔の開口部と接するように、前記共通電極となる共通電極パターンを形成する工程と、前記共通電極パターンが形成された前記圧電体シートに対して、前記共通電極を挟持するように、少なくとも１層の圧電体シートを積層して積層体を形成する工程と、該積層体の貫通孔に導電性ペーストを埋め込み貫通導体充填部を形成する工程と、該貫通導体充填部が前記貫通孔内に形成された前記積層体を焼成して圧電アクチュエータ本体を形成する工程と、該圧電アクチュエータ本体の表面に導電性ペーストを２回印刷して、前記貫通導体充填部と接続するように、下段と上段とからなる２段形状の前記引出電極となる引出電極パターン、および前記ランド部となるランド部パターンが下段と上段とからなる２段形状の前記個別電極となる個別電極パターンを形成する工程とを備え、前記引出電極パターンが長辺および短辺を有する矩形状に形成され、前記ランド部パターンの下段の幅ｗ１ｇと前記引出電極パターンの下段の短辺方向の幅ｗ２ｇとが０．５≦（ｗ２ｇ／ｗ１ｇ）≦２の関係を満足するとともに、前記ランド部パターンの厚みｔ１ｇと前記引出電極パターンの厚みｔ２ｇとが｜ｔ１ｇ−ｔ２ｇ｜≦４μｍの関係を満足するように前記引出電極パターンおよび前記ランド部パターンを形成することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
(7) 前記ランド部パターンにおける前記上段の幅をｗ３ｇとしたときに、ｗ１ｇとｗ３ｇとが（ｗ３ｇ／ｗ１ｇ）＜１の関係を満足する(6)記載の圧電アクチュエータの製造方法。
(8) 前記引出電極パターンにおける前記上段の短辺方向の幅をｗ４ｇとしたときに、ｗ２ｇとｗ４ｇとが（ｗ４ｇ／ｗ２ｇ）＜１の関係を満足する(6)または(7)記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【００１５】
上記したインクジェット記録ヘッドの製造方法は、以下の構成からなる。
(9) 前記(6)〜(8)のいずれかに記載の製造方法により得られる圧電アクチュエータにおける前記引出電極および前記個別電極のランド部に、フレキシブルフラットケーブルを接合する工程と、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、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層を下にしてかつ前記インク流路と前記個別電極との位置を揃えて前記圧電アクチュエータを取り付ける工程とを備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
【００１６】
前記(1)記載の圧電アクチュエータでは、ランド部の下段の幅ｗ１と引出電極の下段の短辺方向の幅ｗ２とが所定の関係を満足している。前記したように、引出電極と個別電極とを形成するに際して、電極の幅が異なると導電性ペーストの塗布量に差が生じて形成される電極の厚みにも差が生じやすい。一方、前記(1)記載の圧電アクチュエータでは、ランド部の下段の幅ｗ１と引出電極の下段の短辺方向の幅ｗ２との差を小さくすることによりランド部と引出電極との厚み差をも小さくしている。これにより、引出電極やその圧電セラミック層にクラックが発生するのを防止するとともに、圧電アクチュエータの駆動ばらつきを抑制することができる。
本発明において、前記(2)記載のように前記ランド部の厚みｔ１と前記引出電極の厚みｔ２が実質的に同じであるときには、引出電極とランド部にかかる荷重をほぼ同じにすることができるので、引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックが発生するのをより確実に防止することができるとともに、圧電アクチュエータの駆動ばらつきが生じるのをより確実に防止することができる。
【００１８】
前記(1)および(3)記載の圧電アクチュエータによれば、ランド部を２段形状にすることにより、ランド部の面積を大きくすることなくランド部に必要な高さを容易に付与することができるので、引出電極との厚み差を低減することができる。
【００１９】
前記(1)および(4)記載の圧電アクチュエータによれば、ランド部だけでなく、引出電極をも２段形状にすることにより、ランド部と引出電極とを同時成形することにより、ランド部と引出電極の厚みを揃えやすくなる。
【００２０】
前記(5)記載のインクジェット記録ヘッドは、前記(1)〜(4)のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えているので、引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックがなく、しかもランド部と配線パターンとが安定に接続され、駆動ばらつきが低減されている。
【００２１】
前記(6)記載の圧電アクチュエータの製造方法では、ランド部パターンの下段の幅ｗ１ｇと引出電極パターンの下段の短辺方向の幅ｗ２ｇとが０．５≦（ｗ２ｇ／ｗ１ｇ）≦２の関係を満足するように引出電極パターンとランド部パターンを形成することによって、印刷時の導電性ペーストのたれによる影響、すなわちランド部と引出電極との厚み差が大きくなって引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックが発生するのを防止することができるとともに、ランド部と配線パターンとを確実に接続して圧電アクチュエータの駆動ばらつきが生じるなどの弊害を排除でき、上記(1)に記載のように、厚みの差を小さくすることができる。
【００２２】
前記(6)記載の圧電アクチュエータの製造方法によれば、ランド部パターンが２段階印刷により２段形状に形成されているので、ランド部の面積を大きくすることなくランド部に必要な高さを容易に付与することができる。
前記(6)記載の圧電アクチュエータの製造方法によれば、ランド部だけでなく、引出電極をも２段階印刷することによって、ランド部と引出電極とを同時成形してランド部と引出電極の厚みを揃えやすくなる。
【００２３】
前記(7)記載の圧電アクチュエータの製造方法によれば、２段形状のランド部パターンの幅が所定の関係を満足することにより、圧電アクチュエータの上部にフレキシブルフラットケーブルを加圧加熱などにより接続する場合であっても、ランド部パターンが横方向へ変形するのを抑制できるので、ランド部が、隣接して形成される駆動部、ランド部または引出電極とショート（短絡）するのを防止することができる。
【００２５】
前記(8)記載の圧電アクチュエータの製造方法によれば、２段形状の引出電極パターンの幅が所定の関係を満足することにより、圧電アクチュエータの上部にフレキシブルフラットケーブルを加圧加熱などにより接続する場合であっても、引出電極パターンが横方向へ変形するのを抑制できるので、引出電極が、隣接して形成される引出電極、駆動部またはランド部とショート（短絡）するのを防止することができる。
【００２６】
前記(9)記載の製造方法によれば、引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックがなく、しかもランド部と配線パターンとが安定に接続されて駆動ばらつきが抑制されたインクジェット記録ヘッドを得ることができる。
【００２７】
【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。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は該圧電アクチュエータを示す平面図である。
【００２８】
図１および図２に示すように、この圧電アクチュエータ１は、積層された圧電セラミック層２，３，４と、これらの圧電セラミック層の間に配置された共通電極５，６と、最上層の圧電セラミック層２の表面に配列された複数の個別電極７と、共通電極５，６に蓄積された電荷を放電するために個別電極７と同一面上に設けられかつ貫通導体８を介して共通電極５，６に電気的に接続された引出電極９とを備えている。
【００２９】
個別電極７は、圧電駆動に寄与する駆動部１１とこの駆動部１１の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部１０とを備えている。本発明では、ランド部１０の厚みｔ1と引出電極９の厚みｔ2とが、｜ｔ1−ｔ2｜≦４μｍの関係を満足していることが重要であり、特にｔ1とｔ2とが実質的に同じであるのが好ましい。ここで、「実質的に同じ」とは、ｔ1とｔ2とが｜ｔ1−ｔ2｜≦１μｍの関係を満足することをいう。また、ランド部１０の厚みｔ1および引出電極９の厚みｔ2は、３〜２０μｍ、好ましくは５〜１５μｍであるのがよい。駆動部１１の厚みは、０．３〜３μｍ、好ましくは０．５〜１μｍであるのがよい。
【００３０】
ランド部１０は下段１０ａと上段１０ｂとからなる２段形状である。また、ランド部１０は、高い表面張力を有し溶融した際に球形状となる接続端子の底面と形状を類似させることにより接続端子との接続面積を大きくするという理由から、円形状であるのが好ましい。さらに、ランド部１０の下段１０ａの幅ｗ1と上段１０ｂの幅ｗ3とは、（ｗ3／ｗ1）＜１の関係を満足しており、印刷位置精度を高めるという理由から、好ましくは（ｗ3／ｗ1）≦０．９の関係を満足しているのがよい。また、下段１０ａの幅ｗ1は、１００〜２５０μｍ、好ましくは１５０〜２００μｍであるのがよく、上段１０ｂの幅ｗ3は、８０〜２００μｍ、好ましくは１２０〜１６０μｍであるのがよい。
【００３１】
引出電極９は、長辺および短辺を有する矩形状であり、下段９ａと上段９ｂとからなる２段形状である。下段９ａの短辺方向の幅ｗ2と上段９ｂの短辺方向の幅ｗ4とは、（ｗ4／ｗ2）＜１の関係を満足しており、印刷位置精度を高めるという理由から、好ましくは（ｗ4／ｗ2）＜０．９の関係を満足しているのがよい。ランド部１０における下段１０ａの幅ｗ1と、引出電極９における下段９ａの短辺方向の幅ｗ2とは、０．５≦（ｗ2／ｗ1）≦２の関係を満足しており、厚みばらつきの影響を抑えるという理由から、好ましくは０．８≦（ｗ2／ｗ1）≦１．５の関係を満足しているのがよい。また、下段９ａの短辺方向の幅ｗ2は、１００〜４００μｍ、好ましくは１５０〜３００μｍであるのがよく、上段９ｂの短辺方向の幅ｗ4は、８０〜３００μｍ、好ましくは１２０〜２５０μｍであるのがよい。
【００３２】
圧電セラミック層２，３，４としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、またはこれらの少なくとも１種を主成分とする圧電セラミックスが好適に用いられる。なお、圧電セラミック層２は厚み方向に互いに相対する方向に分極してある。圧電セラミック層２，３，４の厚みは、８〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍであるのがよい。
【００３３】
共通電極５，６は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｎｉの単独もしくは２種以上の組み合わせ、好適にはＡｇ−Ｐｄ系合金によって形成されることが望ましく、この圧電セラミック層２，３，４と共通電極５，６とは同時焼成される。共通電極５，６の厚みは、０．５〜５μｍ、好ましくは１〜３μｍであるのがよい。
【００３４】
駆動部１１とランド部１０とにより構成される個別電極７は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ系材料、Ｎｉの単独もしくは２種以上の組み合わせ、好適にはＡｕ系材料によって形成されることが望ましい。引出電極９は、個別電極７と同様の材料を使用することができる。
【００３５】
次に、圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。図３(a)〜(e)は、本発明の圧電アクチュエータ１の製造工程を示す工程図である。
(a) まず、前記した圧電セラミックスの粉末を用いて圧電体シート２１を必要枚数形成した後、この圧電体シート２１に貫通孔２３を形成する（図３(a)）。
(b) ついで、貫通孔２３が形成された圧電体シート２１にスクリーン印刷を用いて圧電体シート２１の略全面に共通電極パターン２７を形成する（図３(b)）。
(c) ついで、貫通孔２３を具備し、共通電極パターン２７が形成された圧電体シート２１に対して、共通電極パターン２７を狭持するように、圧電体シート２１を積層して積層体２９を形成する（図３(c)）。
(d) 次に、前記貫通孔２３に導電性ペーストを充填して貫通導体充填部２５とし、さらに、この積層体２９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３１を形成する（図３(d)）。
(e) 最後に、この圧電アクチュエータ本体３１の表面に導電ペーストを印刷して、個別電極７の駆動部１１を形成して、６００〜８００℃程度で焼成し、次に、引出電極パターン３３および個別電極７のランド部１０を形成して個別電極パターン３５を形成し、６００〜８００℃程度で焼成する（図３(e)）。これにより圧電アクチュエータ１を得ることができる。これらの引出電極パターン３３および個別電極パターン３５を２段形状に形成する場合には、１段目を形成した後に２段目を印刷して形成する。また、１段目および２段目のパターン幅は所定寸法の開口部を設けたスクリーンを用いることにより形成できる。また、引出電極パターン３３とランド部パターン３７の厚み差を制御するために、各パターンごと局所的に総厚を変更したスクリーンを用いることによっても形成できる。
【００３６】
本発明では、ランド部パターン３７における下段の幅ｗ1gと引出電極パターン３３における下段の短辺方向の幅ｗ2g（図２のｗ2に相当する部位）とが０．５≦（ｗ2g／ｗ1g）≦２、好ましくは０．８≦（ｗ2g／ｗ1g）≦１．５の関係を満足するように、引出電極パターン３３とランド部パターン３７を形成することによって、ランド部パターン３７の厚みｔ1gと引出電極パターン３３の厚みｔ2gとの関係を｜ｔ1g−ｔ2g｜≦４μｍとしている。特に、ｔ1gとｔ2gとは実質的に同じであるのが好ましい。ここで、「実質的に同じ」とは、ｔ1gとｔ2gとが｜ｔ1g−ｔ2g｜≦１μｍの関係を満足することをいう。また、引出電極パターン３３と個別電極パターン３５とは同時印刷するのが好ましい。
【００３７】
また、ランド部パターン３７における下段の幅ｗ1gと上段の幅ｗ3gとは、（ｗ3g／ｗ1g）＜１の関係を満足しており、印刷位置精度を高めるという理由から、好ましくは（ｗ3g／ｗ1g）≦０．９の関係を満足しているのがよい。
【００３８】
引出電極パターン３３における下段の幅ｗ2g（図２のｗ2に相当する部位）と上段の幅ｗ4g（図２のｗ4に相当する部位）とは、（ｗ4g／ｗ2g）＜１の関係を満足しており、この場合も印刷位置精度を高めるという理由から、好ましくは（ｗ4g／ｗ2g）＜０．９の関係を満足しているのがよい。
【００３９】
上記の圧電アクチュエータ１は、インクジェットヘッドに好適に用いられる。図４は、圧電アクチュエータ１を備えた本発明のインクジェット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４１は、圧電アクチュエータ１と、接続端子４２を介して引出電極９および個別電極７に接続されたフレキシブルフラットケーブル４３と、インク吐出口４４を有する複数のインク流路４５を備え、このインク流路４５と個別電極７の駆動部１１との位置を揃えて最下層の圧電セラミック層４に接着層４７を介して積層接着された流路部材４６とを備えている。
【００４０】
流路部材４６は圧延法等によって得られ、インク吐出孔４４およびインク流路４５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４６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。
【００４１】
接着層４７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１や流路部材４６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４７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１と流路部材４６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４１を得ることができる。
【００４２】
フレキシブルフラットケーブル４３は、圧電アクチュエータ１の上面に形成された個別電極７の各々に対応する配線パターンを有するもので、前記したように、この配線パターンと個別電極７とは接続端子４２により接続され、圧電アクチュエータ１を所望の範囲に変位させることができる。
【００４３】
接続端子４２は、半田（Ｐｂ−Ｓｎ）や、少なくともＳｎを主成分とする鉛フリー半田等のうちいずれか１種からなる低融点金属を好適に用いることができる。特に、接合信頼性の点で半田がより望ましい。
【００４４】
そして、上記のようなインクジェット記録ヘッド４１では、上記の個別電極７と共通電極５との間に電圧を印加することによって、圧電アクチュエータ１を構成する圧電セラミック層２が、ｄ31、ｄ33、ｄ15の群から選ばれる少なくとも１種の振動モードで変位する。これにより、インク吐出口４４から所定量のインクが吐出される。
【００４５】
次に、インクジェット記録ヘッド４１の製造方法について説明する。インクジェットヘッド４１は、以下のようにして製造する。
(a) まず、圧電アクチュエータ１における引出電極９および個別電極７のランド部１０に、半田などの低融点金属で形成された接続端子４２を介してフレキシブルフラットケーブル４３を加圧加熱して接合する。この場合の加圧条件としては、圧電アクチュエータ１が破壊することなく、また、引出電極９およびランド部１０や接続端子４２が極端に変形しないで均一に配線パターンと接続できる圧力の範囲であることが望ましく、また、温度は、低融点金属が溶出せず、かつフレキシブルフラットケーブル４３が熱的に変質しない条件が望ましい。
【００４６】
(b) ついで、インク吐出口４４を有する複数のインク流路４５が配列された流路部材４６上に、最下層の圧電セラミック層４を下にしてかつインク流路４５と個別電極７の駆動部１１との位置を揃えて圧電アクチュエータ１を、接着層４７を介して取り付ける。これにより、インクジェット記録ヘッド４１が得られる。流路部材４６は、厚さ３０〜１００μm程度の複数の金属箔が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４５、インク吐出口４４等に相当する形状に形成され積層された積層体からなる。
【００４８】
【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、本発明は以下に実施例に限定されるものではない。
【００４９】
実施例
以下に示す手順で試料No.１〜１１のインクジェット記録ヘッドを作製した。
すなわち、まず、圧電セラミックス粉末としてＰＺＴ系を用いて圧電体シートを必要枚数形成した後、この圧電体シートに貫通孔を形成した。ついで、貫通孔が形成された圧電体シートにスクリーン印刷を用いて、圧電体シートの略全面にＡｇ−Ｐｄ合金からなる共通電極パターンを形成した。ついで、共通電極パターンが形成された圧電体シートに対して、共通電極パターンを狭持するように、圧電体シートを積層して積層体を形成した。この貫通孔を具備する積層体に、スクリーン印刷を用いてＡｇ−Ｐｄ合金からなる貫通導体充填部を形成し、さらに、この積層体を所定の形状に切断した後、１０００℃で焼成して圧電アクチュエータ本体を形成した。ついで、この圧電アクチュエータ本体の表面にＡｕペーストを印刷して個別電極の駆動部を形成し、８００℃で焼成し、次に、引出電極パターンとランド部および駆動部からなる個別電極パターンとを形成し、６００℃で焼成することにより圧電アクチュエータを得た。なお、ランド部の平面形状は円形とした。各試料のランド部および引出電極は、表１に示す寸法になるように形成した。また、試料No.７，８，１１におけるランド部パターンおよび試料No.９，１０，１１における引出電極パターンは、２段階の印刷を行うことにより２段形状に形成した。
【００５０】
次に、上記のようにして得られた圧電アクチュエータにおける引出電極および個別電極のランド部に、半田で形成された接続端子を介してフレキシブルフラットケーブルを加圧加熱して接合した。ついで、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、最下層の圧電セラミック層を下にしてかつインク流路と個別電極の駆動部との位置を揃えて圧電アクチュエータを取り付けることにより、試料No.１〜１１のインクジェット記録ヘッドを得た。
【００５１】
得られたインクジェット記録ヘッドの圧電セラミック層におけるクラック発生の有無、並びにフレキシブルフラットケーブルと個別電極および引出電極との接続状態について評価した。クラック発生の有無は、蛍光浸透探傷により評価した。フレキシブルフラットケーブルとの接続状態は、フレキシブルフラットケーブル剥離後の状態を金属顕微鏡観察により評価した。表１に示すランド部および引出電極の各寸法は、レーザー変位計により測定した。評価結果を表１に示す。なお、表１中の○、△、×は、それぞれ下記の状態を表している。
＜クラック発生の有無＞
○：クラックの発生が確認されないもの
×：クラックの発生が確認されたもの
＜フレキシブルフラットケーブルの接続状態＞
○：半田とランドが完全に濡れている状態
△：ランド面積の半分以上、半田が濡れている状態
×：ランド面積の半分以下しか半田が濡れていない状態
＜総合評価＞
○：クラック発生の有無およびフレキシブルフラットケーブルの接続状態が、ともに「○、○」の場合
△：クラック発生の有無およびフレキシブルフラットケーブルの接続状態が、「○、△」、「△、○」または「△、△」の場合
×：クラック発生の有無およびフレキシブルフラットケーブルの接続状態が、「×」を一つでも含む場合
【表１】
【００５２】
表１から、ランド部の厚みｔ1と引出電極の厚みｔ2との関係が｜ｔ1−ｔ2｜＞４μｍである試料No.１，７，９は、圧電セラミック層にクラックが発生し、フレキシブルフラットケーブルと個別電極および引出電極との接続状態が不十分であった。これに対して、｜ｔ1−ｔ2｜≦４μｍの関係を満足する試料No.２〜６，８，１０，１１はクラックの発生が見られなかった。また、試料No.３〜５，１１はフレキシブルフラットケーブルとの接続状態も良好であった。試料No.２，６，８，１０は、フレキシブルフラットケーブルとの接続状態において、半田がランド部全面に濡れている状態ではなかったものの、ランド部面積の半分以上にわたって濡れており、実用上問題とはならない状態であった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、個別電極が圧電セラミック層上に高密度に形成されていても、個別電極を構成するランド部の厚みと引出電極の短辺方向の厚みとの差が小さいので、フレキシブルフラットケーブルの配線パターンを引出電極とランド部とに接続する際に、引出電極に大きな荷重がかかるのを防止して引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックが発生するのを防止することができるとともに、ランド部と配線パターンとを安定に接続して電気抵抗のばらつきを抑制し、圧電アクチュエータの駆動ばらつきが生じるのを抑制することができるという効果がある。これにより、インクジェット記録ヘッドのインク吐出量のばらつきを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータを示す平面図である。
【図３】 (a)〜(e)は、本発明の圧電アクチュエータの製造工程を示す工程図である。
【図４】本発明のインクジェットヘッドを示す断面図である。
【図５】従来のインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【図６】従来の圧電アクチュエータを示す平面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電アクチュエータ、２，３，４・・・圧電セラミック層、５，６・・・共通電極、７・・・個別電極、８・・・貫通導体、９・・・引出電極、９ａ・・・下段、９ｂ・・・上段、１０・・・ランド部、１０ａ・・・下段、１０ｂ・・・上段、１１・・・駆動部、２１・・・圧電体シート、２３・・・貫通孔、２５・・・貫通導体充填部、２７・・・共通電極パターン、３１・・・圧電アクチュエータ本体、３３・・・引出電極パターン、３５・・・個別電極パターン、３７・・・ランド部パターン、４１・・・インクジェット記録ヘッド、４２・・・接続端子、４３・・・フレキシブルフラットケーブル、４４・・・インク吐出口、４５・・・インク流路、４６・・・流路部材、４７・・・接着層
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ、インクジェット記録ヘッドおよびこれらの製造方法に関し、特に多階調化やカラー化が容易で高密度記録が可能な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、インクジェット記録ヘッドおよびこれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、多階調化やカラー化が容易で、ランニングコストを低く抑えることのできる圧電アクチュエータを備えた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。かかる記録装置にはインクジェット記録ヘッドが搭載されている。そして、近年の圧電アクチュエータ素子の高密度化に対応するため、圧電アクチュエータ表面の中央部に複数の個別電極が形成されたインクジェット記録ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図５は、上記のようなインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。同図に示すように、このインクジェット記録ヘッドは、積層された複数の圧電セラミック層６５，６６，６７と、これらの圧電セラミック層の間に配置された共通電極６８，６９と、最上層の圧電セラミック層６５の表面に配列された複数の個別電極７９と、共通電極６８，６９に蓄積された電荷を放電するために個別電極７９と同一面上に設けられかつ貫通導体７１により共通電極６８，６９に接続された引出電極７７とを備えた圧電アクチュエータ７３を、インク吐出口５１を有する複数のインク流路５５を備えた流路部材５７上に、インク流路５５と個別電極７９との位置を揃えて取り付けるとともに、接続端子６１を介して引出電極７７および個別電極７９にフレキシブルフラットケーブル６３を接続して構成されている。
【０００４】
図６は圧電アクチュエータ７３を示す平面図である。同図に示すように、個別電極７９は、圧電駆動に寄与する駆動部８１と、この駆動部８１の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部８２とを備えている。また、引出電極７７は長辺および短辺を有する矩形状に形成されている。
【０００５】
そして、近年では、高密度記録の要求とともに、圧電アクチュエータ７３を構成する素子のさらなる増加および高集積化が求められており、素子の小型化に伴って、個別電極７９を構成する駆動部８１およびランド部８２の小面積化が必要とされている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５および図６に示すようなインクジェット記録ヘッドでは、フレキシブルフラットケーブル６３の配線パターンを引出電極７７とランド部８２に接続する際に、引出電極７７やその下部の圧電セラミック層６５にクラックが発生するという問題があった。また、ランド部８２と配線パターンとの接続が不十分になることにより電気抵抗のばらつきが生じて、圧電アクチュエータ７３の駆動ばらつきが大きくなるという問題があった。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、フレキシブルフラットケーブルの接続によりクラックが発生せず、フレキシブルフラットケーブルの配線パターンとの電気的接続を高めることができる圧電アクチュエータ、これを備えたインクジェット記録ヘッドおよびこれらの製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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、引出電極は面積が大きい一方で、各ランド部は、個別電極を高密度に配置するために面積が小さくなるように形成されているために、引出電極と各ランド部とは面積が大きく異なっているので、スクリーン印刷を用いて引出電極と個別電極とを形成する際に、印刷された導電性ペーストのたれが原因で、幅の大きな引出電極と幅の小さなランド部との間で厚みに差が生じ易いという事実を見出した。
【００１０】
そして、上記のように引出電極とランド部の厚みが異なった状態で、フレキシブルフラットケーブルの配線パターンを引出電極とランド部に半田付けなどで接続すると、厚い方の引出電極に大きな荷重がかかり、引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックが発生し、一方、厚みの薄いランド部は配線パターンとの接続が不十分になり電気抵抗のばらつきが生じて、圧電アクチュエータの駆動ばらつきが大きくなるのである。
【００１１】
これらの事実に基づいて、本発明者らはさらに研究を重ねた結果、圧電アクチュエータにおけるランド部の厚みと引出電極の厚みとが所定の関係を満足するときには、引出電極に大きな荷重がかかるのを防止して引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックが発生するのを防止することができるとともに、ランド部と配線パターンとを確実に接続して圧電アクチュエータの駆動ばらつきが生じるのを抑制することができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明の圧電アクチュエータは以下の構成からなる。
(1) 積層された複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に配列された複数の個別電極と、該個別電極と同一面上に設けられかつ前記共通電極に接続された引出電極とを備え、前記個別電極が、圧電駆動に寄与する駆動部とこの駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部とを備え、前記引出電極および前記個別電極のランド部にフレキシブルフラットケーブルが接続される圧電アクチュエータであって、前記引出電極および前記ランド部が、いずれも下段と上段とからなる２段形状であり、前記ランド部の厚みｔ１と前記引出電極の厚みｔ２とが、｜ｔ１−ｔ２｜≦４μｍの関係を満足するとともに、前記引出電極が長辺および短辺を有する矩形状であり、前記ランド部の下段の幅ｗ１と前記引出電極の下段の短辺方向の幅ｗ２とが、０．５≦（ｗ２／ｗ１）≦２の関係を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(2) 前記ランド部の厚みｔ１と前記引出電極の厚みｔ２とが｜ｔ１−ｔ２｜≦１μｍの関係を満足する(1)記載の圧電アクチュエータ。
(3) 前記ランド部における前記上段の幅をｗ３としたときに、ｗ１とｗ３とが（ｗ３／ｗ１）＜１の関係を満足する(1)または(2)記載の圧電アクチュエータ。
(4) 前記引出電極における前記上段の短辺方向の幅をｗ４としたときに、ｗ２とｗ４とが（ｗ４／ｗ２）＜１の関係を満足する(1)〜(3)のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【００１３】
上記の圧電アクチュエータはインクジェット記録ヘッドに好適に用いることができる。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と、この圧電アクチュエータの有する前記引出電極および前記個別電極のランド部に接続されたフレキシブルフラットケーブルと、インク吐出口を有する複数のインク流路が設けられ、このインク流路と前記個別電極との位置を揃えて、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材とを備えていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【００１４】
上記した圧電アクチュエータの製造方法は、以下の構成からなる。
(6) 積層された複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に配列された複数の個別電極と、該個別電極と同一面上に設けられかつ前記共通電極に接続された引出電極とを備え、前記個別電極が、圧電駆動に寄与する駆動部とこの駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部とを備え、前記引出電極および前記個別電極のランド部にフレキシブルフラットケーブルが接続される圧電アクチュエータの製造方法であって、前記圧電セラミック層となる圧電体シートに貫通孔を形成する工程と、該貫通孔が形成された前記圧電体シートに導電性ペーストを印刷して前記圧電体シートの略全面に前記貫通孔の開口部と接するように、前記共通電極となる共通電極パターンを形成する工程と、前記共通電極パターンが形成された前記圧電体シートに対して、前記共通電極を挟持するように、少なくとも１層の圧電体シートを積層して積層体を形成する工程と、該積層体の貫通孔に導電性ペーストを埋め込み貫通導体充填部を形成する工程と、該貫通導体充填部が前記貫通孔内に形成された前記積層体を焼成して圧電アクチュエータ本体を形成する工程と、該圧電アクチュエータ本体の表面に導電性ペーストを２回印刷して、前記貫通導体充填部と接続するように、下段と上段とからなる２段形状の前記引出電極となる引出電極パターン、および前記ランド部となるランド部パターンが下段と上段とからなる２段形状の前記個別電極となる個別電極パターンを形成する工程とを備え、前記引出電極パターンが長辺および短辺を有する矩形状に形成され、前記ランド部パターンの下段の幅ｗ１ｇと前記引出電極パターンの下段の短辺方向の幅ｗ２ｇとが０．５≦（ｗ２ｇ／ｗ１ｇ）≦２の関係を満足するとともに、前記ランド部パターンの厚みｔ１ｇと前記引出電極パターンの厚みｔ２ｇとが｜ｔ１ｇ−ｔ２ｇ｜≦４μｍの関係を満足するように前記引出電極パターンおよび前記ランド部パターンを形成することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
(7) 前記ランド部パターンにおける前記上段の幅をｗ３ｇとしたときに、ｗ１ｇとｗ３ｇとが（ｗ３ｇ／ｗ１ｇ）＜１の関係を満足する(6)記載の圧電アクチュエータの製造方法。
(8) 前記引出電極パターンにおける前記上段の短辺方向の幅をｗ４ｇとしたときに、ｗ２ｇとｗ４ｇとが（ｗ４ｇ／ｗ２ｇ）＜１の関係を満足する(6)または(7)記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【００１５】
上記したインクジェット記録ヘッドの製造方法は、以下の構成からなる。
(9) 前記(6)〜(8)のいずれかに記載の製造方法により得られる圧電アクチュエータにおける前記引出電極および前記個別電極のランド部に、フレキシブルフラットケーブルを接合する工程と、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、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層を下にしてかつ前記インク流路と前記個別電極との位置を揃えて前記圧電アクチュエータを取り付ける工程とを備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
【００１６】
前記(1)記載の圧電アクチュエータでは、ランド部の下段の幅ｗ１と引出電極の下段の短辺方向の幅ｗ２とが所定の関係を満足している。前記したように、引出電極と個別電極とを形成するに際して、電極の幅が異なると導電性ペーストの塗布量に差が生じて形成される電極の厚みにも差が生じやすい。一方、前記(1)記載の圧電アクチュエータでは、ランド部の下段の幅ｗ１と引出電極の下段の短辺方向の幅ｗ２との差を小さくすることによりランド部と引出電極との厚み差をも小さくしている。これにより、引出電極やその圧電セラミック層にクラックが発生するのを防止するとともに、圧電アクチュエータの駆動ばらつきを抑制することができる。
本発明において、前記(2)記載のように前記ランド部の厚みｔ１と前記引出電極の厚みｔ２が実質的に同じであるときには、引出電極とランド部にかかる荷重をほぼ同じにすることができるので、引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックが発生するのをより確実に防止することができるとともに、圧電アクチュエータの駆動ばらつきが生じるのをより確実に防止することができる。
【００１８】
前記(1)および(3)記載の圧電アクチュエータによれば、ランド部を２段形状にすることにより、ランド部の面積を大きくすることなくランド部に必要な高さを容易に付与することができるので、引出電極との厚み差を低減することができる。
【００１９】
前記(1)および(4)記載の圧電アクチュエータによれば、ランド部だけでなく、引出電極をも２段形状にすることにより、ランド部と引出電極とを同時成形することにより、ランド部と引出電極の厚みを揃えやすくなる。
【００２０】
前記(5)記載のインクジェット記録ヘッドは、前記(1)〜(4)のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えているので、引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックがなく、しかもランド部と配線パターンとが安定に接続され、駆動ばらつきが低減されている。
【００２１】
前記(6)記載の圧電アクチュエータの製造方法では、ランド部パターンの下段の幅ｗ１ｇと引出電極パターンの下段の短辺方向の幅ｗ２ｇとが０．５≦（ｗ２ｇ／ｗ１ｇ）≦２の関係を満足するように引出電極パターンとランド部パターンを形成することによって、印刷時の導電性ペーストのたれによる影響、すなわちランド部と引出電極との厚み差が大きくなって引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックが発生するのを防止することができるとともに、ランド部と配線パターンとを確実に接続して圧電アクチュエータの駆動ばらつきが生じるなどの弊害を排除でき、上記(1)に記載のように、厚みの差を小さくすることができる。
【００２２】
前記(6)記載の圧電アクチュエータの製造方法によれば、ランド部パターンが２段階印刷により２段形状に形成されているので、ランド部の面積を大きくすることなくランド部に必要な高さを容易に付与することができる。
前記(6)記載の圧電アクチュエータの製造方法によれば、ランド部だけでなく、引出電極をも２段階印刷することによって、ランド部と引出電極とを同時成形してランド部と引出電極の厚みを揃えやすくなる。
【００２３】
前記(7)記載の圧電アクチュエータの製造方法によれば、２段形状のランド部パターンの幅が所定の関係を満足することにより、圧電アクチュエータの上部にフレキシブルフラットケーブルを加圧加熱などにより接続する場合であっても、ランド部パターンが横方向へ変形するのを抑制できるので、ランド部が、隣接して形成される駆動部、ランド部または引出電極とショート（短絡）するのを防止することができる。
【００２５】
前記(8)記載の圧電アクチュエータの製造方法によれば、２段形状の引出電極パターンの幅が所定の関係を満足することにより、圧電アクチュエータの上部にフレキシブルフラットケーブルを加圧加熱などにより接続する場合であっても、引出電極パターンが横方向へ変形するのを抑制できるので、引出電極が、隣接して形成される引出電極、駆動部またはランド部とショート（短絡）するのを防止することができる。
【００２６】
前記(9)記載の製造方法によれば、引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックがなく、しかもランド部と配線パターンとが安定に接続されて駆動ばらつきが抑制されたインクジェット記録ヘッドを得ることができる。
【００２７】
【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。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は該圧電アクチュエータを示す平面図である。
【００２８】
図１および図２に示すように、この圧電アクチュエータ１は、積層された圧電セラミック層２，３，４と、これらの圧電セラミック層の間に配置された共通電極５，６と、最上層の圧電セラミック層２の表面に配列された複数の個別電極７と、共通電極５，６に蓄積された電荷を放電するために個別電極７と同一面上に設けられかつ貫通導体８を介して共通電極５，６に電気的に接続された引出電極９とを備えている。
【００２９】
個別電極７は、圧電駆動に寄与する駆動部１１とこの駆動部１１の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部１０とを備えている。本発明では、ランド部１０の厚みｔ1と引出電極９の厚みｔ2とが、｜ｔ1−ｔ2｜≦４μｍの関係を満足していることが重要であり、特にｔ1とｔ2とが実質的に同じであるのが好ましい。ここで、「実質的に同じ」とは、ｔ1とｔ2とが｜ｔ1−ｔ2｜≦１μｍの関係を満足することをいう。また、ランド部１０の厚みｔ1および引出電極９の厚みｔ2は、３〜２０μｍ、好ましくは５〜１５μｍであるのがよい。駆動部１１の厚みは、０．３〜３μｍ、好ましくは０．５〜１μｍであるのがよい。
【００３０】
ランド部１０は下段１０ａと上段１０ｂとからなる２段形状である。また、ランド部１０は、高い表面張力を有し溶融した際に球形状となる接続端子の底面と形状を類似させることにより接続端子との接続面積を大きくするという理由から、円形状であるのが好ましい。さらに、ランド部１０の下段１０ａの幅ｗ1と上段１０ｂの幅ｗ3とは、（ｗ3／ｗ1）＜１の関係を満足しており、印刷位置精度を高めるという理由から、好ましくは（ｗ3／ｗ1）≦０．９の関係を満足しているのがよい。また、下段１０ａの幅ｗ1は、１００〜２５０μｍ、好ましくは１５０〜２００μｍであるのがよく、上段１０ｂの幅ｗ3は、８０〜２００μｍ、好ましくは１２０〜１６０μｍであるのがよい。
【００３１】
引出電極９は、長辺および短辺を有する矩形状であり、下段９ａと上段９ｂとからなる２段形状である。下段９ａの短辺方向の幅ｗ2と上段９ｂの短辺方向の幅ｗ4とは、（ｗ4／ｗ2）＜１の関係を満足しており、印刷位置精度を高めるという理由から、好ましくは（ｗ4／ｗ2）＜０．９の関係を満足しているのがよい。ランド部１０における下段１０ａの幅ｗ1と、引出電極９における下段９ａの短辺方向の幅ｗ2とは、０．５≦（ｗ2／ｗ1）≦２の関係を満足しており、厚みばらつきの影響を抑えるという理由から、好ましくは０．８≦（ｗ2／ｗ1）≦１．５の関係を満足しているのがよい。また、下段９ａの短辺方向の幅ｗ2は、１００〜４００μｍ、好ましくは１５０〜３００μｍであるのがよく、上段９ｂの短辺方向の幅ｗ4は、８０〜３００μｍ、好ましくは１２０〜２５０μｍであるのがよい。
【００３２】
圧電セラミック層２，３，４としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、またはこれらの少なくとも１種を主成分とする圧電セラミックスが好適に用いられる。なお、圧電セラミック層２は厚み方向に互いに相対する方向に分極してある。圧電セラミック層２，３，４の厚みは、８〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍであるのがよい。
【００３３】
共通電極５，６は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｎｉの単独もしくは２種以上の組み合わせ、好適にはＡｇ−Ｐｄ系合金によって形成されることが望ましく、この圧電セラミック層２，３，４と共通電極５，６とは同時焼成される。共通電極５，６の厚みは、０．５〜５μｍ、好ましくは１〜３μｍであるのがよい。
【００３４】
駆動部１１とランド部１０とにより構成される個別電極７は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ系材料、Ｎｉの単独もしくは２種以上の組み合わせ、好適にはＡｕ系材料によって形成されることが望ましい。引出電極９は、個別電極７と同様の材料を使用することができる。
【００３５】
次に、圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。図３(a)〜(e)は、本発明の圧電アクチュエータ１の製造工程を示す工程図である。
(a) まず、前記した圧電セラミックスの粉末を用いて圧電体シート２１を必要枚数形成した後、この圧電体シート２１に貫通孔２３を形成する（図３(a)）。
(b) ついで、貫通孔２３が形成された圧電体シート２１にスクリーン印刷を用いて圧電体シート２１の略全面に共通電極パターン２７を形成する（図３(b)）。
(c) ついで、貫通孔２３を具備し、共通電極パターン２７が形成された圧電体シート２１に対して、共通電極パターン２７を狭持するように、圧電体シート２１を積層して積層体２９を形成する（図３(c)）。
(d) 次に、前記貫通孔２３に導電性ペーストを充填して貫通導体充填部２５とし、さらに、この積層体２９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３１を形成する（図３(d)）。
(e) 最後に、この圧電アクチュエータ本体３１の表面に導電ペーストを印刷して、個別電極７の駆動部１１を形成して、６００〜８００℃程度で焼成し、次に、引出電極パターン３３および個別電極７のランド部１０を形成して個別電極パターン３５を形成し、６００〜８００℃程度で焼成する（図３(e)）。これにより圧電アクチュエータ１を得ることができる。これらの引出電極パターン３３および個別電極パターン３５を２段形状に形成する場合には、１段目を形成した後に２段目を印刷して形成する。また、１段目および２段目のパターン幅は所定寸法の開口部を設けたスクリーンを用いることにより形成できる。また、引出電極パターン３３とランド部パターン３７の厚み差を制御するために、各パターンごと局所的に総厚を変更したスクリーンを用いることによっても形成できる。
【００３６】
本発明では、ランド部パターン３７における下段の幅ｗ1gと引出電極パターン３３における下段の短辺方向の幅ｗ2g（図２のｗ2に相当する部位）とが０．５≦（ｗ2g／ｗ1g）≦２、好ましくは０．８≦（ｗ2g／ｗ1g）≦１．５の関係を満足するように、引出電極パターン３３とランド部パターン３７を形成することによって、ランド部パターン３７の厚みｔ1gと引出電極パターン３３の厚みｔ2gとの関係を｜ｔ1g−ｔ2g｜≦４μｍとしている。特に、ｔ1gとｔ2gとは実質的に同じであるのが好ましい。ここで、「実質的に同じ」とは、ｔ1gとｔ2gとが｜ｔ1g−ｔ2g｜≦１μｍの関係を満足することをいう。また、引出電極パターン３３と個別電極パターン３５とは同時印刷するのが好ましい。
【００３７】
また、ランド部パターン３７における下段の幅ｗ1gと上段の幅ｗ3gとは、（ｗ3g／ｗ1g）＜１の関係を満足しており、印刷位置精度を高めるという理由から、好ましくは（ｗ3g／ｗ1g）≦０．９の関係を満足しているのがよい。
【００３８】
引出電極パターン３３における下段の幅ｗ2g（図２のｗ2に相当する部位）と上段の幅ｗ4g（図２のｗ4に相当する部位）とは、（ｗ4g／ｗ2g）＜１の関係を満足しており、この場合も印刷位置精度を高めるという理由から、好ましくは（ｗ4g／ｗ2g）＜０．９の関係を満足しているのがよい。
【００３９】
上記の圧電アクチュエータ１は、インクジェットヘッドに好適に用いられる。図４は、圧電アクチュエータ１を備えた本発明のインクジェット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４１は、圧電アクチュエータ１と、接続端子４２を介して引出電極９および個別電極７に接続されたフレキシブルフラットケーブル４３と、インク吐出口４４を有する複数のインク流路４５を備え、このインク流路４５と個別電極７の駆動部１１との位置を揃えて最下層の圧電セラミック層４に接着層４７を介して積層接着された流路部材４６とを備えている。
【００４０】
流路部材４６は圧延法等によって得られ、インク吐出孔４４およびインク流路４５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４６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。
【００４１】
接着層４７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１や流路部材４６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４７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１と流路部材４６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４１を得ることができる。
【００４２】
フレキシブルフラットケーブル４３は、圧電アクチュエータ１の上面に形成された個別電極７の各々に対応する配線パターンを有するもので、前記したように、この配線パターンと個別電極７とは接続端子４２により接続され、圧電アクチュエータ１を所望の範囲に変位させることができる。
【００４３】
接続端子４２は、半田（Ｐｂ−Ｓｎ）や、少なくともＳｎを主成分とする鉛フリー半田等のうちいずれか１種からなる低融点金属を好適に用いることができる。特に、接合信頼性の点で半田がより望ましい。
【００４４】
そして、上記のようなインクジェット記録ヘッド４１では、上記の個別電極７と共通電極５との間に電圧を印加することによって、圧電アクチュエータ１を構成する圧電セラミック層２が、ｄ31、ｄ33、ｄ15の群から選ばれる少なくとも１種の振動モードで変位する。これにより、インク吐出口４４から所定量のインクが吐出される。
【００４５】
次に、インクジェット記録ヘッド４１の製造方法について説明する。インクジェットヘッド４１は、以下のようにして製造する。
(a) まず、圧電アクチュエータ１における引出電極９および個別電極７のランド部１０に、半田などの低融点金属で形成された接続端子４２を介してフレキシブルフラットケーブル４３を加圧加熱して接合する。この場合の加圧条件としては、圧電アクチュエータ１が破壊することなく、また、引出電極９およびランド部１０や接続端子４２が極端に変形しないで均一に配線パターンと接続できる圧力の範囲であることが望ましく、また、温度は、低融点金属が溶出せず、かつフレキシブルフラットケーブル４３が熱的に変質しない条件が望ましい。
【００４６】
(b) ついで、インク吐出口４４を有する複数のインク流路４５が配列された流路部材４６上に、最下層の圧電セラミック層４を下にしてかつインク流路４５と個別電極７の駆動部１１との位置を揃えて圧電アクチュエータ１を、接着層４７を介して取り付ける。これにより、インクジェット記録ヘッド４１が得られる。流路部材４６は、厚さ３０〜１００μm程度の複数の金属箔が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４５、インク吐出口４４等に相当する形状に形成され積層された積層体からなる。
【００４８】
【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、本発明は以下に実施例に限定されるものではない。
【００４９】
実施例
以下に示す手順で試料No.１〜１１のインクジェット記録ヘッドを作製した。
すなわち、まず、圧電セラミックス粉末としてＰＺＴ系を用いて圧電体シートを必要枚数形成した後、この圧電体シートに貫通孔を形成した。ついで、貫通孔が形成された圧電体シートにスクリーン印刷を用いて、圧電体シートの略全面にＡｇ−Ｐｄ合金からなる共通電極パターンを形成した。ついで、共通電極パターンが形成された圧電体シートに対して、共通電極パターンを狭持するように、圧電体シートを積層して積層体を形成した。この貫通孔を具備する積層体に、スクリーン印刷を用いてＡｇ−Ｐｄ合金からなる貫通導体充填部を形成し、さらに、この積層体を所定の形状に切断した後、１０００℃で焼成して圧電アクチュエータ本体を形成した。ついで、この圧電アクチュエータ本体の表面にＡｕペーストを印刷して個別電極の駆動部を形成し、８００℃で焼成し、次に、引出電極パターンとランド部および駆動部からなる個別電極パターンとを形成し、６００℃で焼成することにより圧電アクチュエータを得た。なお、ランド部の平面形状は円形とした。各試料のランド部および引出電極は、表１に示す寸法になるように形成した。また、試料No.７，８，１１におけるランド部パターンおよび試料No.９，１０，１１における引出電極パターンは、２段階の印刷を行うことにより２段形状に形成した。
【００５０】
次に、上記のようにして得られた圧電アクチュエータにおける引出電極および個別電極のランド部に、半田で形成された接続端子を介してフレキシブルフラットケーブルを加圧加熱して接合した。ついで、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、最下層の圧電セラミック層を下にしてかつインク流路と個別電極の駆動部との位置を揃えて圧電アクチュエータを取り付けることにより、試料No.１〜１１のインクジェット記録ヘッドを得た。
【００５１】
得られたインクジェット記録ヘッドの圧電セラミック層におけるクラック発生の有無、並びにフレキシブルフラットケーブルと個別電極および引出電極との接続状態について評価した。クラック発生の有無は、蛍光浸透探傷により評価した。フレキシブルフラットケーブルとの接続状態は、フレキシブルフラットケーブル剥離後の状態を金属顕微鏡観察により評価した。表１に示すランド部および引出電極の各寸法は、レーザー変位計により測定した。評価結果を表１に示す。なお、表１中の○、△、×は、それぞれ下記の状態を表している。
＜クラック発生の有無＞
○：クラックの発生が確認されないもの
×：クラックの発生が確認されたもの
＜フレキシブルフラットケーブルの接続状態＞
○：半田とランドが完全に濡れている状態
△：ランド面積の半分以上、半田が濡れている状態
×：ランド面積の半分以下しか半田が濡れていない状態
＜総合評価＞
○：クラック発生の有無およびフレキシブルフラットケーブルの接続状態が、ともに「○、○」の場合
△：クラック発生の有無およびフレキシブルフラットケーブルの接続状態が、「○、△」、「△、○」または「△、△」の場合
×：クラック発生の有無およびフレキシブルフラットケーブルの接続状態が、「×」を一つでも含む場合
【表１】
表１から、ランド部の厚みｔ1と引出電極の厚みｔ2との関係が｜ｔ1−ｔ2｜＞４μｍである試料No.１，７，９は、圧電セラミック層にクラックが発生し、フレキシブルフラットケーブルと個別電極および引出電極との接続状態が不十分であった。これに対して、｜ｔ1−ｔ2｜≦４μｍの関係を満足する試料No.２〜６，８，１０，１１はクラックの発生が見られなかった。また、試料No.３〜５，１１はフレキシブルフラットケーブルとの接続状態も良好であった。試料No.２，６，８，１０は、フレキシブルフラットケーブルとの接続状態において、半田がランド部全面に濡れている状態ではなかったものの、ランド部面積の半分以上にわたって濡れており、実用上問題とはならない状態であった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、個別電極が圧電セラミック層上に高密度に形成されていても、個別電極を構成するランド部の厚みと引出電極の短辺方向の厚みとの差が小さいので、フレキシブルフラットケーブルの配線パターンを引出電極とランド部とに接続する際に、引出電極に大きな荷重がかかるのを防止して引出電極やその下部の圧電セラミック層にクラックが発生するのを防止することができるとともに、ランド部と配線パターンとを安定に接続して電気抵抗のばらつきを抑制し、圧電アクチュエータの駆動ばらつきが生じるのを抑制することができるという効果がある。これにより、インクジェット記録ヘッドのインク吐出量のばらつきを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータを示す平面図である。
【図３】 (a)〜(e)は、本発明の圧電アクチュエータの製造工程を示す工程図である。
【図４】本発明のインクジェットヘッドを示す断面図である。
【図５】従来のインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【図６】従来の圧電アクチュエータを示す平面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電アクチュエータ、２，３，４・・・圧電セラミック層、５，６・・・共通電極、７・・・個別電極、８・・・貫通導体、９・・・引出電極、９ａ・・・下段、９ｂ・・・上段、１０・・・ランド部、１０ａ・・・下段、１０ｂ・・・上段、１１・・・駆動部、２１・・・圧電体シート、２３・・・貫通孔、２５・・・貫通導体充填部、２７・・・共通電極パターン、３１・・・圧電アクチュエータ本体、３３・・・引出電極パターン、３５・・・個別電極パターン、３７・・・ランド部パターン、４１・・・インクジェット記録ヘッド、４２・・・接続端子、４３・・・フレキシブルフラットケーブル、４４・・・インク吐出口、４５・・・インク流路、４６・・・流路部材、４７・・・接着層
Claims (9)
- 積層された複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に配列された複数の個別電極と、該個別電極と同一面上に設けられかつ前記共通電極に接続された引出電極とを備え、
前記個別電極が、圧電駆動に寄与する駆動部とこの駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部とを備え、
前記引出電極および前記個別電極のランド部にフレキシブルフラットケーブルが接続される圧電アクチュエータであって、
前記引出電極および前記ランド部が、いずれも下段と上段とからなる２段形状であり、前記ランド部の厚みｔ１と前記引出電極の厚みｔ２とが、｜ｔ１−ｔ２｜≦４μｍの関係を満足するとともに、前記引出電極が長辺および短辺を有する矩形状であり、前記ランド部の下段の幅ｗ１と前記引出電極の下段の短辺方向の幅ｗ２とが、０．５≦（ｗ２／ｗ１）≦２の関係を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記ランド部の厚みｔ１と前記引出電極の厚みｔ２とが｜ｔ１−ｔ２｜≦１μｍの関係を満足する請求項１記載の圧電アクチュエータ。
- 前記ランド部における前記上段の幅をｗ３としたときに、ｗ１とｗ３とが（ｗ３／ｗ１）＜１の関係を満足する請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
- 前記引出電極における前記上段の短辺方向の幅をｗ４としたときに、ｗ２とｗ４とが（ｗ４／ｗ２）＜１の関係を満足する請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、
この圧電アクチュエータの有する前記引出電極および前記個別電極のランド部に接続されたフレキシブルフラットケーブルと、
インク吐出口を有する複数のインク流路が設けられ、このインク流路と前記個別電極との位置を揃えて、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材とを備えていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 - 積層された複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に配列された複数の個別電極と、該個別電極と同一面上に設けられかつ前記共通電極に接続された引出電極とを備え、
前記個別電極が、圧電駆動に寄与する駆動部とこの駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部とを備え、
前記引出電極および前記個別電極のランド部にフレキシブルフラットケーブルが接続される圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記圧電セラミック層となる圧電体シートに貫通孔を形成する工程と、該貫通孔が形成された前記圧電体シートに導電性ペーストを印刷して前記圧電体シートの略全面に前記貫通孔の開口部と接するように、前記共通電極となる共通電極パターンを形成する工程と、前記共通電極パターンが形成された前記圧電体シートに対して、前記共通電極を挟持するように、少なくとも１層の圧電体シートを積層して積層体を形成する工程と、該積層体の貫通孔に導電性ペーストを埋め込み貫通導体充填部を形成する工程と、該貫通導体充填部が前記貫通孔内に形成された前記積層体を焼成して圧電アクチュエータ本体を形成する工程と、該圧電アクチュエータ本体の表面に導電性ペーストを２回印刷して、前記貫通導体充填部と接続するように、下段と上段とからなる２段形状の前記引出電極となる引出電極パターン、および前記ランド部となるランド部パターンが下段と上段とからなる２段形状の前記個別電極となる個別電極パターンを形成する工程とを備え、
前記引出電極パターンが長辺および短辺を有する矩形状に形成され、前記ランド部パターンの下段の幅ｗ１ｇと前記引出電極パターンの下段の短辺方向の幅ｗ２ｇとが０．５≦（ｗ２ｇ／ｗ１ｇ）≦２の関係を満足するとともに、前記ランド部パターンの厚みｔ１ｇと前記引出電極パターンの厚みｔ２ｇとが｜ｔ１ｇ−ｔ２ｇ｜≦４μｍの関係を満足するように前記引出電極パターンおよび前記ランド部パターンを形成することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記ランド部パターンにおける前記上段の幅をｗ３ｇとしたときに、ｗ１ｇとｗ３ｇとが（ｗ３ｇ／ｗ１ｇ）＜１の関係を満足する請求項６記載の圧電アクチュエータの製造方法。
- 前記引出電極パターンにおける前記上段の短辺方向の幅をｗ４ｇとしたときに、ｗ２ｇとｗ４ｇとが（ｗ４ｇ／ｗ２ｇ）＜１の関係を満足する請求項６または７記載の圧電アクチュエータの製造方法。
- 請求項６〜８のいずれかに記載の製造方法により得られる圧電アクチュエータにおける前記引出電極および前記個別電極のランド部に、フレキシブルフラットケーブルを接合する工程と、
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、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層を下にしてかつ前記インク流路と前記個別電極との位置を揃えて前記圧電アクチュエータを取り付ける工程とを備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
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