JP5023525B2 - 圧電アクチュエータ、液体移送装置、圧電アクチュエータの製造方法、及び、液体移送装置の製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータを備えた液体移送装置、並びに圧電アクチュエータ及び液体移送装置の製造方法に関する。

従来から、電界が作用したときの圧電材料の変形を利用して対象を駆動する圧電アクチュエータが種々の分野で広く用いられている。例えば、特許文献１（ＵＳＰ６，８９１，３１４Ｂ２号）には、インクに吐出圧力を付与する圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドが記載されている。この圧電アクチュエータは、剛体に支持された金属製の基板と、この基板上に配置された複数の圧電素子（圧電層）と、これら複数の圧電素子の上下両面にそれぞれ形成された信号電極及び共通電極とを有する。信号電極は、基板が剛体に接合されていない変形領域（アクチュエータエリア）から、基板が剛体に接合されている接合領域（電気接合用エリア）まで引き出されており、接合領域において、信号電極には、可撓性を有する樹脂基材からなるフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）が電気的に接続されている。そして、このＦＰＣを介して信号電極に駆動信号が供給される。

ここで、ＦＰＣの圧電素子側の面には、複数の信号電極にそれぞれ対応する複数の端子部が形成されている。さらに、各端子部には、コア材とこのコア材の表面を覆う導電性の接合材とからなる半球状のバンプが形成されている。そして、複数の信号電極にＦＰＣを接続する際には、信号電極の接合領域まで引き出された部分とＦＰＣのバンプとを位置合わせした状態で、バンプを加熱することにより接合材を溶融させて、この溶融した接合材により信号電極とＦＰＣの端子部とを接合する。

ＵＳＰ６，８９１，３１４Ｂ２号（特開２００３−６９１０３に対応（図１〜図３））

ところで、前述の特許文献１に記載の圧電アクチュエータにおいて、信号電極とＦＰＣの端子部を接合するために接合材を溶融させたときには、溶融した接合材の一部が周囲に流れ出す。このとき、接合材が信号電極を伝って変形領域まで流れ出してしまうと、接合材により変形領域における圧電素子の変形が阻害され、圧電アクチュエータが正常に動作しなくなる。また、溶融した導電性の接合材が隣接する別の信号電極まで流れ出してしまい、２つの信号電極間で短絡が発生する虞もある。

本発明の目的は、圧電層の表面の電極と配線部材とを導電性材料により接合する際に、溶融した導電性材料が周囲に流れ出すのを抑制することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の第１の態様に従えば、振動板と、前記振動板の変形を逃す変形逃し部及び前記振動板に接合される接合部を有する支持部材と、前記振動板の前記支持部材と反対側に配置された圧電層と、前記圧電層の前記振動板側の面に配置された第１電極、及び、前記圧電層の前記振動板と反対側の面の、前記変形逃し部と対向する領域に配置された第２電極と、前記圧電層の前記振動板と反対側の面において、第２電極から前記接合部と対向する領域まで延びる配線部と、この配線部の接点に導電性材料を介して接合される端子部を有し、第２電極に駆動電圧を供給する配線部材とを備え、前記振動板と前記接合部のうちの少なくとも一方の、第２電極と前記接点との間の前記配線部と対向する部分に空洞部が設けられた圧電アクチュエータが提供される。

本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記空洞部は、前記配線部と前記端子部を前記導電性材料により接合する際に冷媒が流通する孔であってもよく、さらに前記冷媒は液体又は気体であってもよい。

本発明の第１の態様によれば、この圧電アクチュエータにおいて、配線部材を介して第２電極に駆動電圧が供給されると、第１電極と第２電極との間の、変形逃し部に対向する圧電層の部分に電界が作用する。すると、電界が作用した圧電層の部分が変形し、さらに、この圧電層の変形に伴って振動板の変形逃し部に対向する部分が変形して対象を駆動する。ところで、第２電極に接続された配線部の接点と、配線部材の端子部は、導電性材料により接合されるが、その接合の際に導電性材料を溶融させたときに、この溶融した導電性材料の一部が、接点から配線部を伝って第２電極の表面まで流れ出す虞がある。しかし、本発明では、振動板と接合部の少なくとも一方の、第２電極と接点との間の配線部と対向する部分に空洞が設けられている。そのため、接点から第２電極に向けて流れ出す導電性材料が、空洞部、あるいは、例えば空洞部に充填された冷却用液体のような冷媒により冷却され、配線部の途中で導電性材料の粘度が上昇して固化が始まり、それ以上流れなくなる。従って、導電性材料が第２電極の表面に付着して圧電層の変形を阻害するのを防止できる。尚、本発明は、振動板と第１電極とが別部材で構成されている態様だけでなく、振動板が導電性を有し、この振動板の変形逃がし部と反対側の面が第１電極を兼ねている態様をも含む。

本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記変形逃がし部は複数の逃がし部を含み、平面に沿って隣接配置された複数の前記逃し部と、これら複数の前記逃し部に夫々対応する複数の第２電極とを備え、複数の第２電極に夫々対応して複数の前記空洞部が設けられ、これら複数の前記空洞部が互いに連通していてもよい。このように、複数の空洞部が互いに連通していると、複数の空洞部間で冷却用液体のような冷媒が流動しやすくなるため、溶融した導電性材料をより効果的に冷却することができる。

本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記各空洞部は、隣接する２つの第２電極に夫々対応する２つの前記配線部の接点間と対向する領域まで延びていてもよい。この構成では、ある配線部の接点から隣接する配線部の接点に向かって流れ出す導電性材料が、これら２つの接点間の領域に形成された空洞部内の冷却用液体のような冷媒により冷却されるため、２つの配線部間において短絡が生じるのを確実に防止できる。

本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記空洞部は、前記配線部の接点を取り囲む環状に形成されていてもよい。従って、溶融した導電性材料が接点からその周囲へ流れ出すのをより確実に防止できる。

本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記配線部は、第２電極と前記接点との間において部分的に幅が狭くなっていてもよい。この構成では、配線部を伝って接点から第２電極へ向かって流れる導電性材料の量が少なくなることから、導電性材料が第２電極の表面に付着するのをより確実に防止できる。

本発明の第２の態様に従えば、振動板と、前記振動板の変形を逃す複数の逃し部及び前記振動板に接合される接合部を有する支持部材と、前記振動板の前記支持部材と反対側に配置された圧電層と、この圧電層の前記振動板側の面に配置された第１電極、及び、前記圧電層の前記振動板と反対側の面の、前記複数の逃し部と対向する領域に夫々配置された複数の第２電極と、前記圧電層の前記振動板と反対側の面において、複数の第２電極から前記接合部と対向する領域まで夫々延びる複数の配線部と、前記複数の配線部の接点に夫々導電性材料を介して接合される複数の端子部を有し、複数の第２電極に駆動電圧を供給する配線部材とを備え、前記振動板と前記接合部のうちの少なくとも一方の、隣接する２つの前記第２電極に夫々対応する２つの前記配線部の接点間の部分と対向する部分に空洞部が設けられている圧電アクチュエータが提供される。

本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記各空洞部は、前記配線部と前記端子部を前記導電性材料により接合する際に冷媒が流通する孔であってもよく、さらに前記冷媒は液体又は気体であってもよい。

本発明の第２の態様によれば、ある配線部の接点から隣接する配線部の接点に向かって流れ出す導電性材料が、これら２つの接点間の領域に形成された空洞部、又は、例えば空洞部内の冷却用液体のような冷媒により冷却されるため、２つの配線部間において短絡が生じるのを確実に防止できる。尚、本発明においても、振動板が導電性を有し、この振動板の圧力室と反対側の面が第１電極を兼ねている態様を含む。

本発明の第３の態様に従えば、平面に沿って配置された複数の圧力室を含む液体流路と、前記圧力室の容積を変化させて前記圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備えた液体移送装置であって、前記圧電アクチュエータは、前記複数の圧力室が形成された圧力室プレートと、前記圧力室プレートの接合部において接合されて、前記複数の圧力室を覆う振動板と、前記振動板の前記圧力室プレートと反対側に配置された圧電層と、前記圧電層の前記振動板側の面に形成された共通電極、及び、前記圧電層の前記振動板と反対側の面において前記複数の圧力室と対向する領域に夫々配置された複数の個別電極と、前記圧電層の前記振動板と反対側の面において、前記個別電極から前記接合部と対向する領域まで夫々延びる複数の配線部と、前記複数の配線部の接点に夫々導電性材料を介して接合される複数の端子部を有し、前記複数の個別電極に駆動電圧を供給する配線部材とを備え、前記振動板と前記接合部のうちの少なくとも一方の、前記個別電極と前記接点との間の前記配線部と対向する各部分に空洞部が設けられている液体移送装置が提供される。

本発明の液体移送装置において、前記空洞部は、前記配線部と前記端子部を前記導電性材料により接合する際に冷媒が流通する孔であってもよく、さらに前記冷媒は液体又は気体であってもよい。

本発明の第３の態様によれば、配線部材を介して複数の個別電極に選択的に駆動電圧が供給されると、電圧が印加された個別電極と共通電極との間の圧電層の部分に電界が作用して圧電層が変形し、さらに、この変形に伴い振動板が変形して圧力室内の液体に圧力が付与される。ここで、個別電極に接続された配線部の接点と配線部材の端子部と導電性材料で接合するために、この導電性材料を溶融させたときには、溶融した導電性材料の一部は、配線部を伝って接点から個別電極に向かって流れ出す。しかし、この導電性材料は、空洞部により、又は例えば空洞部に充填された冷却用液体のような冷媒により冷却されるため、導電性材料が個別電極の表面に付着して圧電層の変形を阻害するのを防止できる。尚、本発明は、振動板が導電性を有し、この振動板の圧力室と反対側の面が共通電極を兼ねている態様を含む。

本発明の第４の態様に従えば、前記空洞部に冷却用液体を充填する充填工程と、前記導電性材料を加熱して、溶融した前記導電性材料により前記配線部と前記端子部とを接合する接合工程とを含む圧電アクチュエータの製造方法が提供される。接合工程において溶融した導電性材料は、配線部を伝って接点から第２電極に向かって流れ出すが、配線部の途中でこの導電性材料は空洞部に充填された冷却用液体により冷却されて、それ以上流れなくなるため、第２電極に導電性材料が付着するのを防止できる。

本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記冷却用液体は、水が主成分であってもよい。このように、冷却用液体が、安価で、且つ、比熱の大きい水を主成分とするものであるため、製造コストを低く抑えつつ、溶融した導電性材料を効果的に冷却できる。

本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記充填工程において、前記空洞部に充填された冷却用液体を強制的に流動させてもよい。このように、冷却用液体を強制的に流動させることにより、冷却用液体による導電性材料の冷却効果をさらに高めることができる。

本発明の第１実施形態について説明する。この第１実施形態は、液体移送装置として、ノズルから記録用紙にインクを吐出するインクジェットヘッドに本発明を適用した一例である。

まず、インクジェットヘッド１を備えたインクジェットプリンタ１００について簡単に説明する。図１に示すように、インクジェットプリンタ１００は、図１の左右方向に移動可能なキャリッジ１０１と、このキャリッジ１０１に設けられて記録用紙Ｐに対してインクを噴射するシリアル式のインクジェットヘッド１と、記録用紙Ｐを図１の前方へ搬送する搬送ローラ１０２を備えている。インクジェットヘッド１は、キャリッジ１０１と一体的に左右方向（走査方向）へ移動して、その下面のインク吐出面に形成されたノズル２０（図４参照）の出射口から記録用紙Ｐに対してインクを噴射する。そして、インクジェットヘッド１により記録された記録用紙Ｐは、搬送ローラ１０２により前方（紙送り方向）へ排出される。

次に、インクジェットヘッド１について図２〜図５を参照して詳細に説明する。図２〜図５に示すように、インクジェットヘッド１は、圧力室１４を含む個別インク流路２１（図４参照）が複数形成された流路ユニット２と、この流路ユニット２の上面に配置された圧電アクチュエータ３とを備えている。

まず、流路ユニット２について説明する。図４、図５に示すように、流路ユニット２はキャビティプレート１０、ベースプレート１１、マニホールドプレート１２、及びノズルプレート１３を備えており、これら４枚のプレート１０〜１３が積層状態で接合されている。このうち、キャビティプレート１０、ベースプレート１１及びマニホールドプレート１２はステンレス鋼製の板であり、これら３枚のプレート１０〜１２に、後述するマニホールド１７や圧力室１４等のインク流路をエッチングにより容易に形成することができる。また、ノズルプレート１３は、例えば、ポリイミドのような高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート１２の下面に接着される。あるいは、このノズルプレート１３も、３枚のプレート１０〜１２と同様にステンレス鋼等の金属材料で形成されていてもよい。

図２〜図５に示すように、キャビティプレート１０（圧力室プレート）には、平面に沿って隣接配置された複数の圧力室１４が形成されており、これら複数の圧力室１４は桁部１０ａにより区画されている。また、これら複数の圧力室１４は上方へ開口している。さらに、複数の圧力室１４は、紙送り方向（図２の上下方向）に２列に配列されている。各圧力室１４は、平面視で走査方向（図２の左右方向）に長い、略楕円形状に形成されている。

図３、図４に示すように、ベースプレート１１の、平面視で各圧力室１４の長手方向両端部と重なる位置には、夫々連通孔１５，１６が形成されている。また、マニホールドプレート１２には、紙送り方向（図２の上下方向）に延びるマニホールド１７が形成されている。また、図２〜図４に示すように、マニホールド１７は、平面視で、左側に配列された圧力室１４の左半分、及び、右側に配列された圧力室１４の右半分と夫々重なるように配置されている。そして、このマニホールド１７は、後述の振動板３０に形成されたインク供給口１８が接続されており、インクタンク（図示省略）からインク供給口１８を介してインクが供給される。また、マニホールドプレート１２の、平面視で各圧力室１４のマニホールド１７と反対側の端部と重なる位置には、夫々、連通孔１６に連なる連通孔１９も形成されている。さらに、ノズルプレート１３の、平面視で各連通孔１９に夫々重なる位置には、ノズル２０が夫々形成されている。これらのノズル２０は、例えば、ポリイミドのような高分子合成樹脂の基板にエキシマレーザー加工を施すことにより形成される。

そして、図４に示すように、マニホールド１７は各連通孔１５を介して各圧力室１４に連通し、さらに、この各圧力室１４は、連通孔１６，１９を介してノズル２０に連通している。このように、流路ユニット２内には、マニホールド１７から各圧力室１４を経て各ノズル２０に至る複数の個別インク流路２１が形成されている。

次に、圧電アクチュエータ３について説明する。図２〜図５に示すように、圧電アクチュエータ３は、キャビティプレート１０の上面に配置された振動板３０と、この振動板３０の上面（圧力室１４と反対側の面）に形成された圧電層３１と、この圧電層３１の上面に複数の圧力室１４に夫々対応して形成された複数の個別電極３２と、これら複数の個別電極３２に駆動電圧を供給するフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）４０とを備えている。尚、図２、図３においては、図面を見やすくするために、本来は実線で示されるべきＦＰＣ４０は二点鎖線で示されている。また、流路ユニット２のキャビティプレート１０は、振動板３０を支持する支持部材に相当しており、このキャビティプレート１０も圧電アクチュエータ３の一部を構成している。さらに、キャビティプレート１０に形成された複数の圧力室１４が、振動板３０の変形を逃す逃し部に相当し、さらに、振動板３０に接合される桁部１０ａが接合部に相当する。

振動板３０は、平面視で略矩形状の金属材料からなる板であり、例えば、ステンレス鋼のような鉄系合金、銅系合金、ニッケル系合金、あるいは、チタン系合金などからなる。この振動板３０は、キャビティプレート１０の上面に複数の圧力室１４を覆うように配設され、キャビティプレート１０の桁部１０ａに接合されている。また、金属製の振動板３０は導電性を有しており、振動板３０は常にグランド電位に保持されている。そして、この振動板３０と個別電極３２との間に挟まれた圧電層３１に電界を作用させる共通電極（第１電極）を兼ねている。

振動板３０の上面には、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電層３１が配置されている。図２〜図５に示すように、この圧電層３１は振動板３０の上面において、複数の圧力室１４に亙って連続的に形成されている。

圧電層３１の上面には、圧力室１４よりも一回り小さい楕円形の平面形状を有する複数の個別電極３２（第２電極）が形成されている。これら複数の個別電極３２は、平面視で、対応する圧力室１４の中央部に重なる位置に夫々形成されている。即ち、図２に示すように、複数の個別電極３２は、複数の圧力室１４に夫々対応して紙送り方向（図２の上下方向）に２列に配列されている。また、個別電極３２は金、銅、銀、パラジウム、白金、あるいは、チタンなどの導電性材料からなる。さらに、圧電層３１の上面には、複数の個別電極３２のマニホールド１７側の端部から桁部１０ａに対向する領域まで、それぞれ、個別電極３２の長手方向（図２の左右方向）と平行に延びる複数の配線部３５も形成されている。

また、圧電層３１及び複数の個別電極３２の上側にはＦＰＣ４０（配線部材）が配設されている。このＦＰＣ４０は、ポリイミドのような合成樹脂材料からなり可撓性を有する基材４１と、この基材４１の下面（圧電層３１側の面）に複数の個別電極３２に夫々対応して形成された複数の配線部４２とを有する。また、図４に示すように、各配線部４２の端部には夫々端子部４２ａが設けられている。そして、各端子部４２ａは、圧電層３１の上面に形成された各配線部３５の、各個別電極３２と反対側の端部に設けられた接点３５ａに、半田や導電ペースト等からなる導電性材料４５を介して接合されている。さらに、ＦＰＣ４０は、駆動回路であるドライバＩＣ（図示省略）と接続されている。つまり、ドライバＩＣと複数の配線部３５とがＦＰＣ４０により電気的に接続されており、このＦＰＣ４０を介して、ドライバＩＣから複数の個別電極３２へ選択的に駆動電圧が印加される。

次に、圧電アクチュエータ３のインク吐出動作時における作用について説明する。所望の個別電極３２に対してドライバＩＣから選択的に駆動電圧が印加されると、駆動電圧が供給された圧電層３１上側の個別電極３２と、グランド電位に保持されている圧電層３１下側の共通電極としての振動板３０の電位が異なる状態となり、駆動電圧が供給された個別電極３２と振動板３０との間に挟まれた圧電層３１の駆動部分に上下方向の電界が生じる。すると、圧電層３１の駆動部分がその分極方向である上下方向と直交する水平方向に収縮する。ここで、振動板３０は、キャビティプレート１０の桁部１０ａに接合されているため、圧電層３１の駆動部分の収縮に伴って振動板３０が圧力室１４側に凸となるように変形する。従って、圧力室１４内の容積が減少して圧力室１４内のインクに圧力が付与され、圧力室１４に連通するノズル２０からインクの液滴が吐出される。

ところで、後述するように、圧電アクチュエータ３の製造工程において、半田や導電ペーストのような導電性材料４５を、配線部３５の接点３５ａの表面で溶融させて、この溶融した導電性材料４５によりＦＰＣ４０の複数の端子部４２ａと複数の配線部３５の接点３５ａとを接合する。ここで、個別電極３２と同じく導電性材料からなる複数の配線部３５の表面は濡れ性がよく、接点３５ａの表面で溶融した半田のような導電性材料４５は、配線部３５を伝って個別電極３２まで流れやすい。そして、個別電極３２の表面まで導電性材料４５が流れ出してしまうと、この導電性材料４５により、個別電極３２に駆動電圧が印加されたときの圧電層３１の変形が阻害されるため、圧電アクチュエータ３が正常に動作しなくなる。また、溶融した導電性材料４５が、個別電極３２の配列方向（図３の上下方向）に隣接する別の配線部３５まで流れ出して、２つの配線部３５の間で短絡が発生する虞もある。

そこで、本実施形態の圧電アクチュエータ３においては、キャビティプレート１０の桁部１０ａの上面に、溶融した導電性材料４５を冷却するための冷却用液体６０（図６（ｃ）参照）を注入（充填）可能な冷却流路４６が、振動板３０により上方が塞がれる溝状に形成されている。つまり、溝状の冷却流路４６が振動板３０により上方を塞がれることによって、空洞部が形成されている。図２、図３に示すように、この冷却流路４６は、各個別電極３２と接点３５ａとの間の配線部３５と対向する領域から、この配線部３５とこれに隣接する配線部３５の２つの接点３５ａ間と対向する領域まで、円弧状に延びる個別冷却流路４７（液体充填部に相当する）を有する。即ち、各個別冷却流路４７は、個別電極３２と接点３５ａとの間の配線部３５を横切り、さらに、対応する配線部３５の接点３５ａの図２における上下両側の領域まで延びて、この接点３５ａを個別電極３２側から囲むように形成されている。

また、紙送り方向（図２の上下方向）に２列に配列された複数の個別電極３２に夫々対応する左右２列の個別冷却流路４７は、それらの間で紙送り方向に延びる連通流路４８を介して互いに連通している。さらに、左右２列の個別冷却流路４７は、圧力室１４と対向しない図２の上端側の領域において走査方向（図２の左右方向）に延びる連通流路４９を介して連通している。従って、冷却流路４６の全ての個別冷却流路４７が連通流路４８，４９を介して互いに連通している。さらに、この冷却流路４６の両端は図２の下方へ引き出され、振動板３０に形成された注入口５０及び排出口５１に夫々接続されている。従って、注入口５０から冷却流路４６内に冷却用液体６０が注入されると、この冷却用液体６０は、複数の個別冷却流路４７を順に流れて排出口５１から排出される。

そして、ＦＰＣ４０の端子部４２ａと配線部３５の接点３５ａとを導電性材料４５により接合する際に、冷却流路４６内に冷却用液体６０を流しながら導電性材料４５を溶融する。すると、各個別冷却流路４７内を流れる冷却用液体６０により、接点３５ａの表面から周囲へ流れ出す導電性材料４５が冷却される。このように、導電性材料４５が冷却されるとその粘度が上昇してそれ以上流れなくなるため、導電性材料４５が接点３５ａの表面から周囲へ流れ出すのが抑制される。このＦＰＣ４０と配線部３５の接合工程については、次述の製造方法の説明でさらに詳しく述べる。

次に、インクジェットヘッド１の製造方法について説明する。まず、流路ユニット２を構成する４枚のプレート１０〜１３に、エッチングなどにより、マニホールド１７や、それぞれがノズル２０と圧力室１４を含む複数の個別インク流路２１を形成する。また、このとき、キャビティプレート１０の桁部に、複数の個別冷却流路４７を含む前述の冷却流路４６を同時に形成する。そして、図６（ａ）に示すように、流路ユニット２を構成する４枚のプレート１０〜１３と、振動板３０とを積層させてから、接着剤による接合や拡散接合などにより接合する。

次に、図６（ｂ）に示すように、振動板３０の上面に圧電層３１を形成する。ここで、この圧電層３１は、例えば、非常に小さな圧電材料の粒子を基板に吹き付けて高速で衝突させ、基板に堆積させるエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）を用いて形成することができる。あるいは、スパッタ法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、溶液塗布法、あるいは、水熱合成法により形成することもできる。また、ＰＺＴのグリーンシートを焼成して得られた圧電シートを振動板３０に貼り付けることにより圧電層３１を形成することも可能である。さらに、圧電層３１の上面に、スクリーン印刷などにより複数の個別電極３２及び複数の配線部３５を形成する。

次に、図６（ｃ）に示すように、注入口５０に、冷却用液体６０を加圧するポンプのような加圧装置（図示省略）を接続し、この加圧装置により、冷却流路４６内に常温（例えば、１５℃程度）の冷却用液体６０を加圧して注入（充填）する（充填工程）。ここで、複数の配線部３５（接点３５ａ）に夫々対応して設けられた、冷却流路４６の複数の個別冷却流路４７は全て互いに連通しているため、注入口５０から注入された冷却用液体６０は、複数の個別冷却流路４７を順に流れて排出口５１から排出される。従って、加圧装置により冷却用液体６０を連続的に加圧注入することにより、冷却用液体６０は、冷却流路４６（複数の個別冷却流路４７）内において強制的且つ連続的に流されることになる。ここで、冷却用液体６０としては、比熱が大きく、且つ、安価な水を主成分とする液体を使用することが好ましい。また、冷却用液体６０が、エチレングリコールや、水にエチレングリコールを混合した不凍液であってもよく、あるいは、ハイドロクロロフルオロカーボンやハイドロフルオロカーボンのような代替フロンであってもよい。

次に、圧電層３１の上側に、複数の配線部３５の接点３５ａとＦＰＣ４０の端子部４２ａとの間に半田や導電ペースト等の導電性材料４５を介在させた状態でＦＰＣ４０を配置する。そして、導電性材料４５を所定の溶融温度（例えば、２００℃以上）に加熱して、溶融した導電性材料４５によりＦＰＣ４０の端子部４２ａと配線部３５の接点３５ａとを接合する（接合工程）。この接合工程においては、例えば、図６（ｃ）に示すように、ＦＰＣ４０の上側とノズルプレート１３の下側に１対のヒートブロック５２，５３を設置し、これら上下１対のヒートブロック５２，５３により導電性材料４５を加熱して、導電性材料４５を溶融させながら、ＦＰＣ４０を配線部３５側へ押圧することにより、ＦＰＣ４０と配線部３５とを接合することができる。あるいは、ＦＰＣ４０側からイオンビームや赤外線、あるいは、レーザー光等を照射して導電性材料４５を溶融させながら、治具によりＦＰＣ４０を配線部３５側へ押圧することにより、ＦＰＣ４０と配線部３５とを接合することもできる。

このとき、溶融した状態の導電性材料４５の一部は、接点３５ａの表面から周囲に流れ出そうとする。しかし、キャビティプレート１０の桁部１０ａに複数の個別電極３２（配線部３５）に夫々対応して形成された複数の個別冷却流路４７内には、冷却用液体６０が連続的に流されている。そして、各個別冷却流路４７は、対応する個別電極３２と接点３５ａとの間の配線部３５に対向しており、この配線部３５を横切るように配置されている。そのため、接点３５ａの表面から配線部３５を伝って個別電極３２に向かって流れ出す高温の導電性材料４５の熱が、個別冷却流路４７内を流れる低温の冷却用液体６０により奪われて、配線部３５の途中で導電性材料４５は急速に冷却される。そのため、導電性材料４５の粘度が急激に上昇して固化が始まり、それ以上流れなくなる。従って、導電性材料４５が個別電極３２の表面に付着して圧電層３１の変形が阻害されるのを確実に防止できる。

また、個別冷却流路４７に連なる連通流路４８は、個別電極３２の配列方向（図３の左右方向）に隣接する２つの配線部３５の接点３５ａ間の領域に形成されている。そのため、ある配線部３５の接点３５ａの表面から、隣接する配線部３５の接点３５ａに向かって流れ出す導電性材料４５は、隣接する接点３５ａとの間に形成された連通流路４８内を流れる低温の冷却用液体６０により急速に冷却される。そのため、ある接点３５ａから隣接する配線部３５まで導電性材料４５が流れることがなく、配線部３５の間の短絡を防止できる。

複数の配線部３５に夫々対応する複数の個別冷却流路４７が全て連通しており、これら複数の個別冷却流路４７に強制的且つ連続的に冷却用液体６０を流しながら、導電性材料４５を溶融させて接合工程を行うことから、冷却用液体６０を流動させない場合に比べて、この冷却用液体６０による導電性材料４５の冷却効果がさらに高まる。従って、導電性材料４５が接点３５ａからその周囲へ流れ出すのをより確実に抑制できる。また、冷却用液体６０として、比熱が高く、且つ、安価な水を主成分とする液体を使用することにより、製造コストを低く抑えつつ、溶融した導電性材料４５を効果的に冷却できる。

次に、前記第１実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記第１実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

＜第１変更形態＞
振動板３０が共通電極を兼ねている必要は必ずしもなく、図７に示すように、共通電極３４（第１電極）が振動板３０とは別に設けられていてもよい。但し、振動板３０が金属板である場合には、共通電極３４が形成される振動板３０の上面に、絶縁材料層が形成されるなどして、振動板３０の上面が絶縁性を備えている必要がある。振動板３０がシリコン材料からなる場合には、振動板３０の上面に酸化処理を施して絶縁性を有するようにしてもよい。また、振動板３０が、セラミックス材料、あるいは、合成樹脂材料等の絶縁材料からなる場合には、振動板３０の上面に直接共通電極３４が形成されることになる。

＜第２変更形態＞
図８に示すように、配線部３５Ｂが、個別電極３２と接点３５ａとの間において部分的に幅が狭くなるように形成されていてもよい。この構成では、濡れ性のよい配線部３５Ｂを伝って、接点３５ａから個別電極３２へ向かって流れる導電性材料４５の量が少なくなることから、導電性材料４５が個別電極３２の表面に付着するのをより確実に防止できる。

＜第３変更形態＞
図９に示すように、冷却流路４６Ｃの各個別冷却流路４７Ｃが、平面視で、配線部３５の接点３５ａを取り囲むように環状に形成されていてもよい。この場合には、導電性材料４５が接点３５ａからその周囲へ流れ出すのをより確実に防止できる。

＜第４変更形態＞
隣接する２つの配線部３５の接点間距離が十分に離れているなど、接点３５ａ間の短絡が生じる虞があまりない場合には、前記第１実施形態のように冷却流路が隣接する２つの配線部３５の接点３５ａ間にまで形成されている必要は特になく、導電性材料４５が接点３５ａから配線部３５を伝って個別電極３２へ流れるのを主に防止できる構成であればよい。例えば、図１０に示すように、冷却流路４６Ｄが、個別電極３２と接点３５ａとの間において複数の配線部３５を横切って、個別電極３２の配列方向（図１０の上下方向）に延びるように形成されていてもよい。

＜第５変更形態＞
逆に、配線部３５が長く、個別電極３２と接点３５ａ間の距離が十分に離れているなど、接点３５ａから配線部３５を伝って流れる導電性材料４５が個別電極３２まで達する虞があまりない場合には、前記第１実施形態のように冷却流路が個別電極３２と接点３５ａとの間の配線部３５と対向する領域に形成されている必要は特になく、隣接する接点３５ａ間の短絡を主に防止できる構成であればよい。例えば、図１１に示すように、冷却流路４６Ｅの各個別冷却流路４７Ｅが、個別電極３２と接点３５ａの間の配線部３５と対向する領域には形成されておらず、接点３５ａの両側の領域（２つの配線部３５の接点３５ａ間と対向する領域）において配線部３５と平行に延びて、配線部３５の接点３５ａを個別電極３２と反対側から取り囲むように形成されていてもよい。

＜第６変更形態＞
導電性材料４５が、配線部３５の接点３５ａから、個別電極３２と反対側に流れ出すことを防止する必要がある場合には、例えば、図１２に示すように、冷却流路４６Ｆが、接点３５ａの個別電極３２と反対側において、個別電極３２の配列方向（図１２の上下方向）に延びるように形成されていてもよい。

＜第７変更形態＞
冷却流路は、キャビティプレートに形成されている必要は必ずしもなく、図１３に示すように、冷却流路４６Ｇ（個別冷却流路４７Ｇ）が、振動板３０Ｇのキャビティプレート１０Ｇと接合される部分に形成されていてもよい。あるいは、振動板とキャビティプレートに亙って形成されていてもよい。

＜第８変更形態＞
図１４〜図１６に示すように、キャビティプレート１０Ｈに、複数の配線部３５に夫々対応する複数の液体充填部４６Ｈが形成され、その下のベースプレート１１Ｈに、これら複数の液体充填部４６Ｈを連通させる連通流路４８Ｈが形成されていてもよい。各液体充填部４６Ｈは、個別電極３２と接点３５ａとの間の配線部３５と対向する領域において、平面視で、紙送り方向（図１４の上下方向）に長い略楕円の平面形状を有する貫通孔により形成されている。この液体充填部４６Ｈの長手方向の長さは配線部３５の幅に略等しく、また、液体充填部４６Ｈの短手方向の長さ（幅）は連通流路４８Ｈの幅に略等しい。また、連通流路４８Ｈは、ベースプレート１１Ｈの上面側の、紙送り方向に延びる溝により形成されている。そして、ＦＰＣ４０の端子部４２ａと配線部３５の接点３５ａを接合する際には、連通流路４８Ｈに冷却用液体６０を連続的に流して、この連通流路４８Ｈから複数の液体充填部４６Ｈに冷却用液体６０を充填しながら、導電性材料４５を加熱して溶融させる。この変更形態８においても、接点３５ａから配線部３５を伝って個別電極３２へ向かって流れ出す導電性材料４５が、液体充填部４６Ｈに充填された冷却用液体６０により冷却されるため、導電性材料４５が個別電極３２の表面に付着するのを防止できる。

本実施形態及び各変更形態において、導電性材料４５を冷却するために冷却用液体６０を使用したが、冷却用液体６０の代わりに例えば空気、窒素、ヘリウムガス、フロンガスのような気体、又は、エアロゾル等の冷媒を使用してもよい。このとき、ポンプ等の加圧装置を用いて、個別冷却流路４７等の空洞部内の冷媒を強制的に流動させることによって、効率的に導電性材料４５を冷却することができる。また、冷媒として空気を利用する際には、加圧装置を用いる代わりに、対流によって生じる空気の流れによって、空洞部内の空気を流動させることもできる。この場合には、接合工程の際に空洞部内に冷媒を加圧注入する加圧装置を省くことができ、製造設備を簡略化することができる。また、冷媒として空気を使用しているため、別途冷媒を用意する必要がなく、製造コストを抑えることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態のインクジェットヘッド７１は、前記第１実施形態と比較して、冷却用液体６０を流すための冷却流路４６（図２〜図４参照）が形成されていない点で異なるが、その他の構成は同じである。そのため、前記第１実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

図１７〜図１９に示すように、この第２実施形態のインクジェットヘッド７１は、複数の圧力室１４を含むインク流路が形成された流路ユニット７２と、この流路ユニット７２の上面に配置された圧電アクチュエータ３とを備えている。

流路ユニット７２は、キャビティプレート８０、ベースプレート１１、マニホールドプレート１２、及びノズルプレート１３を備えており、これら４枚のプレート８０，１１，１２，１３が積層状態で接合されている。キャビティプレート８０には複数の圧力室１４が形成されており、前記第１実施形態のキャビティプレート１０とほぼ同様の構成を有するが、冷却流路４６（図２〜図４参照）が形成されていない点で異なる。また、ベースプレート１１、マニホールドプレート１２、及び、ノズルプレート１３は、前記第１実施形態と同様のものであり、その説明は省略する。そして、この流路ユニット７２内には、マニホールド１７から圧力室１４を経てノズル２０に至る個別インク流路２１が形成されている。

圧電アクチュエータ３は、前記第１実施形態と同様の構成を有するものであり、振動板３０、圧電層３１、複数の個別電極３２及び複数の配線部３５、ＦＰＣ４０等を有する。そして、圧電層３１の上面に形成された複数の配線部３５の接点３５ａに、半田等の導電性材料４５を介してＦＰＣ４０の端子部４２ａが接合されている。

次に、この第２実施形態のインクジェットヘッド７１の製造方法について説明する。但し、ＦＰＣ４０の端子部４２ａと配線部３５の接点３５ａとを接合するまでの工程は前記第１実施形態と同様であるため（図６（ａ），（ｂ）参照）、ＦＰＣ４０と配線部３５とを接合する工程について特に説明する。

インク供給口１８（図１７参照）とポンプ等の加圧装置を接続してから、図２０に示すように、この加圧装置により、流路ユニット７２内に形成されたマニホールド１７、及び、このマニホールド１７から圧力室１４を経てノズル２０に至る個別インク流路２１内に、常温（例えば、１５℃程度）の冷却用液体６０を加圧して注入（充填）する（充填工程）。また、この冷却用液体６０をノズル２０から噴射させて、個別インク流路２１内で冷却用液体６０を連続的に流しておく。

この状態で、圧電層３１の上側にＦＰＣ４０を配設するとともに、このＦＰＣ４０の端子部４２ａと複数の配線部３５の接点３５ａとの間に半田や導電ペースト等の導電性材料４５を配置する。そして、導電性材料４５を所定の溶融温度（例えば、２００℃以上）まで加熱し、溶融した導電性材料４５によりＦＰＣ４０の端子部４２ａと配線部３５の接点３５ａとを接合する（接合工程）。ここで、導電性材料４５の加熱方法としては、図２０に示すように、ＦＰＣ４０とノズルプレート１３に夫々接触する上下１対のヒーターブロック８１，８２を用いる方法や、イオンビームや赤外線、あるいは、レーザー光を照射する方法など、種々の方法を採用できる。

ここで、接合工程において溶融した導電性材料４５の一部は、接点３５ａの表面から周囲に流れようとするが、この導電性材料４５は、個別インク流路２１内を連続的に流れる低温の冷却用液体６０により熱を奪われて冷却されるため、その粘度が急激に上昇して固化が始まる。従って、導電性材料４５が接点３５ａから周囲に流れ出すのを抑制できる。また、この第２実施形態では、前記第１実施形態とは異なり、マニホールド１７や個別インク流路２１などのインク流路に冷却用液体６０を流しながら接合工程を行うことから、冷却用液体６０を流すための特別な流路（前記第１実施形態の冷却流路４６等）をインク流路とは別に形成する必要がなく、製造コスト面で有利である。

本実施形態では、導電性材料４５を冷却するための冷媒として冷却用液体６０を用いているが、冷媒は液体に限られず、例えば空気、窒素、フロンガス、ヘリウムのような気体又はエアロゾル等の冷媒を使用してもよい。

尚、以上説明した第１実施形態及び第２実施形態では、冷却用液体６０を強制的且つ連続的に流しながら接合工程を行っている。導電性材料４５を効率的に冷却するという点では冷却用液体６０を強制的に流動させることは好ましいが、冷却用液体６０を強制的に流動させなくても導電性材料４５の冷却は可能である。例えば、第１実施形態の冷却流路４６（図２参照）の排出口５１、あるいは、第２実施形態の個別インク流路２１のノズル２０を封止し、これらの流路４６，２１内に冷却用液体６０を充填した状態で（外部へ排出せずに）、接合工程を行ってもよい。この場合には、冷却用液体６０を強制的に流動させる場合に比べて冷却効率は低下するが、冷却用液体６０を加圧注入する加圧装置などが不要になるため、製造設備を簡略化することが可能になる。

以上、本発明をインクジェットヘッドに適用した形態について第１実施形態及び第２実施形態を例に挙げて説明したが、本発明を適用可能な形態は、これら第１実施形態及び第２実施形態に限られるものではない。例えば、インク以外の液体を移送する種々の液体移送装置に本発明を適用することも可能である。さらには、本発明を適用可能なアクチュエータは、液体に圧力を付与するために用いられるアクチュエータに限らない。つまり、支持部材の接合部に接合された振動板を変形させることにより対象を駆動するものであれば、他の用途に用いられるアクチュエータにも適用することが可能である。この場合、支持部材に設けられた逃がし部は、必ずしも支持部材に形成された穴である必要はなく、逃がし部は振動板の変形を阻害しない形状であればよい。一例として、図４に示されたインクジェットヘッドの流路ユニット２を、支持部材１１０に置き換えた構成を有する圧電アクチュエータ１０３を図２１に示す。支持部材１１０の振動板３０側の面の、平面視で個別電極３２と重なる領域には、個別電極３２と略同一の形状であって、振動板３０側の面に開口している溝状の逃げ部１１０Ｂが形成されている。このように支持部材１１０に逃げ部１１０Ｂが形成されることによって、桁部１１０Ａが画成されている。支持部材の桁部１１０Ａには、第１実施形態と同じ形状の冷却水路４６が形成されている。支持部材の逃げ部１１０Ｂの厚さは桁部１１０Ａの厚さと比べて薄く形成されており、振動板３０の駆動により発生した圧力波によって、逃げ部１１０Ｂの底面１１０Ｃを振動させることができる。この例に示したように、逃がし部は支持部材に設けられた凹部であってもよい。

図１は本発明の第１実施形態に係るインクジェットプリンタの概略構成図である。 図２はインクジェットヘッドの平面図である。 図３は図２の一部拡大図である。 図４は図３のIV-IV線断面図である。 図５は図３のV-V線断面図である。 図６は第１実施形態の圧電アクチュエータの製造工程を示す図であり、図６（ａ）は流路ユニットと振動板とを接合する工程、図６（ｂ）は圧電層、個別電極及び配線部を形成する工程、図６（ｃ）は圧電層上面の配線部とＦＰＣの端子部とを接合する工程を夫々示す。 図７は第１実施形態の変更形態１に係る図４相当の断面図である。 図８は第１実施形態の変更形態２に係る図３相当の拡大平面図である。 図９は第１実施形態の変更形態３に係る図３相当の拡大平面図である。 図１０は第１実施形態の変更形態４に係る図３相当の拡大平面図である。 図１１は第１実施形態の変更形態５に係る図３相当の拡大平面図である。 図１２は第１実施形態の変更形態６に係る図３相当の拡大平面図である。 図１３は第１実施形態の変更形態７に係る図４相当の断面図である。 図１４は第１実施形態の変更形態８に係る図３相当の拡大平面図である。 図１５は図１４のXV-XV線断面図である。 図１６は図１４のXVI-XVI線断面図である。 図１７は本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドの平面図である。 図１８は図１７の一部拡大図である。 図１９は図１８のXIX-XIX線断面図である。 図２０は圧電層上面の配線部とＦＰＣの端子部とを接合する工程を示す図である。 図２１は溝状の逃げ部を有する支持部材を備えた圧電アクチュエータの図４相当の断面図である。

符号の説明

１ インクジェットヘッド
２ 流路ユニット
３ 圧電アクチュエータ
１０，１０Ｇ，１０Ｈ キャビティプレート
１０ａ 桁部
１４ 圧力室
２１ 個別インク流路
３０，３０Ｇ 振動板
３１ 圧電層
３２ 個別電極（第２電極）
３４ 共通電極（第１電極）
３５Ｂ 配線部
３５ａ 接点
４０ フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）
４２ａ 端子部
４５ 導電性材料
４６，４６Ｃ，４６Ｄ，４６Ｅ，４６Ｆ，４６Ｇ 冷却流路
４６Ｈ 液体充填部
４７，４７Ｃ，４７Ｅ，４７Ｇ 個別冷却流路
６０ 冷却用液体
７１ インクジェットヘッド
７２ 流路ユニット

Claims (19)

1. 振動板と、
   前記振動板の変形を逃す変形逃し部及び前記振動板に接合される接合部を有する支持部材と、
   前記振動板の前記支持部材と反対側に配置された圧電層と、
   前記圧電層の前記振動板側の面に配置された第１電極、及び、前記圧電層の前記振動板と反対側の面の、前記変形逃し部と対向する領域に配置された第２電極と、
   前記圧電層の前記振動板と反対側の面において、第２電極から前記接合部と対向する領域まで延びる配線部と、
   この配線部の接点に導電性材料を介して接合される端子部を有し、第２電極に駆動電圧を供給する配線部材とを備え、
   前記振動板と前記接合部のうちの少なくとも一方の、第２電極と前記接点との間の前記配線部と対向する部分に空洞部が設けられたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記空洞部は、前記配線部と前記端子部を前記導電性材料により接合する際に冷媒が流通する孔であることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記冷媒は液体であることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記冷媒は気体であることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記変形逃がし部は複数の逃がし部を含み、平面に沿って隣接配置された複数の前記逃し部と、これら複数の前記逃し部に夫々対応する複数の第２電極とを備え、
   複数の第２電極に夫々対応して複数の前記空洞部が設けられ、
   これら複数の前記空洞部が互いに連通していることを特徴とする請求項２〜４に記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記各空洞部は、隣接する２つの第２電極に夫々対応する２つの前記配線部の接点間と対向する領域まで延びていることを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記空洞部は、前記配線部の接点を取り囲む環状に形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記配線部は、第２電極と前記接点との間において部分的に幅が狭くなっていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の圧電アクチュエータ。
9. 振動板と、
   前記振動板の変形を逃す複数の逃し部及び前記振動板に接合される接合部を有する支持部材と、
   前記振動板の前記支持部材と反対側に配置された圧電層と、
   この圧電層の前記振動板側の面に配置された第１電極、及び、前記圧電層の前記振動板と反対側の面の、前記複数の逃し部と対向する領域に夫々配置された複数の第２電極と、
   前記圧電層の前記振動板と反対側の面において、複数の第２電極から前記接合部と対向する領域まで夫々延びる複数の配線部と、
   前記複数の配線部の接点に夫々導電性材料を介して接合される複数の端子部を有し、複数の第２電極に駆動電圧を供給する配線部材とを備え、
   前記振動板と前記接合部のうちの少なくとも一方の、隣接する２つの前記第２電極に夫々対応する２つの前記配線部の接点間の部分と対向する部分に空洞部が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
10. 前記各空洞部は、前記配線部と前記端子部を前記導電性材料により接合する際に冷媒が流通する孔であることを特徴とする請求項９に記載の圧電アクチュエータ。
11. 前記冷媒は液体であることを特徴とする請求項１０に記載の圧電アクチュエータ。
12. 前記冷媒は気体であることを特徴とする請求項１０に記載の圧電アクチュエータ。
13. 平面に沿って配置された複数の圧力室を含む液体流路と、前記圧力室の容積を変化させて前記圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備えた液体移送装置であって、
    前記圧電アクチュエータは、
    前記複数の圧力室が形成された圧力室プレートと、
    前記圧力室プレートの接合部において接合されて、前記複数の圧力室を覆う振動板と、
    前記振動板の前記圧力室プレートと反対側に配置された圧電層と、
    前記圧電層の前記振動板側の面に形成された共通電極、及び、前記圧電層の前記振動板と反対側の面において前記複数の圧力室と対向する領域に夫々配置された複数の個別電極と、
    前記圧電層の前記振動板と反対側の面において、前記個別電極から前記接合部と対向する領域まで夫々延びる複数の配線部と、
    前記複数の配線部の接点に夫々導電性材料を介して接合される複数の端子部を有し、前記複数の個別電極に駆動電圧を供給する配線部材とを備え、
    前記振動板と前記接合部のうちの少なくとも一方の、前記個別電極と前記接点との間の前記配線部と対向する各部分に空洞部が設けられていることを特徴とする液体移送装置。
14. 前記空洞部は、前記配線部と前記端子部を前記導電性材料により接合する際に冷媒が流通する孔であることを特徴とする請求項１３に記載の液体移送装置。
15. 前記冷媒は液体であることを特徴とする請求項１４に記載の液体移送装置。
16. 前記冷媒は気体であることを特徴とする請求項１４に記載の液体移送装置。
17. 請求項３に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
    前記空洞部に冷却用液体を充填する充填工程と、
    前記導電性材料を加熱して、溶融した前記導電性材料により前記配線部と前記端子部とを接合する接合工程とを含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
18. 前記冷却用液体は、水が主成分であることを特徴とする請求項１７に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
19. 前記充填工程において、前記空洞部に充填された冷却用液体を強制的に流動させることを特徴とする請求項１７に記載の圧電アクチュエータの製造方法。

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