JP5288719B2

JP5288719B2 - 液体吐出ヘッド用積層圧電アクチュエータおよびその製造方法ならびに液体吐出ヘッド

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Publication number: JP5288719B2
Application number: JP2007082444A
Authority: JP
Inventors: 喜裕由宇
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008244135A

Description

本発明は、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等に適し、特に広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した液体吐出ヘッドとそれに好適に用いられる積層圧電アクチュエータおよびそれの製造方法に関するものである。

従来、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（発振子を含む）、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。特に、最近のカラープリンタの高速化、低価格化により、インクジェットプリンタ等のインク吐出用圧電アクチュエータへの使用要求が高まっている。

このような圧電アクチュエータとして、例えば特許文献１には、圧電アクチュエータの振動板として作用するセラミックス基板（セラミック振動板）と、その上に設けられた第１の電極膜（共通電極）、圧電膜（圧電セラミック層）、および第２の電極膜（個別駆動電極）からなる膜型の圧電作動部から構成される変位素子を備えたものが記載されている。

また、近年インクジェットプリンタにおいても写真プリントと同様な高画質の画像記録を行なうことが望まれており、さらに１０ｍＰａ・ｓ以上の高粘度のＵＶインクでも印字できるインクジェットプリンタが望まれている。そのためにはノズルを高密度に形成するために変位素子を小型化しても、変位素子の変位が大きい圧電アクチュエータが必要となる。

そのような圧電アクチュエータとして、特許文献２には、セラミック圧電体層と電極層が交互に積層され、電極層間を接続する配線が形成された圧電アクチュエータが開示されており、この圧電アクチュエータは、エアロゾル法を用いて圧電体層、電極層、配線を堆積形成されている。この手法を用いると、複数の個別駆動電極層を有する圧電アクチュエータを作製することができる。

そして、個別電極層と共通電極層に挟まれ、これらの電極間に電位差を印加した際に圧電性により変位する圧電体層を活性層と言い、この活性層の層数が増えると同じ電圧を加えた場合でも駆動力が大きくなり、変位素子の変位を大きくできる。
国際公開公報０２／０７３７１０号パンフレット特開２００５−２６８６３１号公報

しかしながら、例えば、特許文献２記載のエアロゾル法で作製した圧電アクチュエータで十分な特性を得ようとするならば、高温度の熱処理が不可欠であるが、高温熱処理を行なうことにより、圧電層の収縮が生じるため、各個別駆動電極の位置ずれが生じてしまう。個別駆動電極と内部個別駆動電極の位置ずれの程度は、複数の変位素子で異なるため、複数の変位素子の間に特性バラツキが生じるという問題があった。

変位素子の特性バラツキは、例えば、圧電アクチュエータをインクジェット印刷ヘッドに用いた場合、インク吐出速度のバラツキなどに影響を与え、記録される画質が低下してしまうことになる。

また、あらかじめ個別駆動電極層を有するグリーンシートを積層し、焼成する方法であ
っても、同様に焼成収縮により内部個別駆動電極と表面の個別駆動電極との位置ずれが生じてしまい、複数の変位素子の間の特性バラツキが大きいという問題がある。

したがって、本発明の目的は、複数層に形成された個別駆動電極の位置ずれが抑制され、変位素子の変位バラツキが小さい液体吐出ヘッド用積層圧電アクチュエータ、および、それを用いた液体吐出ヘッド、ならびに、液体吐出ヘッド用積層圧電アクチュエータの製造方法を提供することである。

本発明の液体吐出ヘッド用積層圧電アクチュエータは、振動板上に、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とをこの順に積層し、さらに圧電セラミック層、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とを積層してなる積層部を１以上積層してなる積層圧電アクチュエータであって、前記圧電セラミック層はいずれも、前記複数の個別駆動電極間にわたって存在し、前記積層圧電アクチュエータの内部の前記個別駆動電極層を挟んで配置されている圧電セラミック層同士が前記個別駆動電極層の周囲で接着層を介して接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記積層圧電アクチュエータと流路部材とからなり、該流路部材は、複数の前記個別駆動電極にそれぞれ対応した、液体吐出孔を有する複数の液体圧力室が配設されていることを特徴とするものである。

また、本発明の液体吐出ヘッド用積層圧電アクチュエータの製造方法は、動板上に、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とをこの順に積層し、さらに圧電セラミック層、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とを積層してなる積層部を１以上積層してなる積層圧電アクチュエータの製造方法であって、焼成により圧電セラミック層を作製する工程と、前記共通電極層となる導体ペーストを、前記振動板上、前記振動板となるセラミック成形体、前記圧電セラミック層、前記圧電セラミック層となるセラミック成形体の少なくともひとつに塗布する工程と、必要であれば、前記振動板となるセラミック成形体と前記圧電セラミック層となるセラミック成形体とを積層する工程とを含み、記個別駆動電極層の形成は、焼成後の圧電セラミック層に導体ペーストを塗布し、焼成して行なうとともに、少なくとも前記積層圧電アクチュエータの内部の前記個別駆動電極層を挟んで配置される前記圧電セラミック層同士は、前記個別駆動電極層が焼成後の前記圧電セラミック層の主面に形成された後に、前記個別駆動電極層の焼成よりも低温で、接着層を介して接合することを特徴とするものである。

本発明の積層圧電アクチュエータによれば、振動板上に、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とをこの順に積層し、さらに圧電セラミック層、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とを積層してなる積層部を１以上積層してなる積層圧電アクチュエータであって、前記圧電セラミック層はいずれも、前記複数の個別駆動電極間にわたって存在し、前記積層圧電アクチュエータの内部の前記個別駆動電極層を挟んで配置されている圧電セラミック層同士が前記個別電極層の周囲で接着層を介して接合されていることにより複数層ある個別駆動電極の、層間の位置ずれを少なくすることができ、多数の個別圧電素子の特性バラツキを抑制することができる。

また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記積層圧電アクチュエータと流路部材とからなり、該流路部材は、複数の前記個別駆動電極にそれぞれ対応した、液体吐出孔を有する複数の液体圧力室が配設されていることにより、液体圧力室と個別駆動電極の位置ずれが少なくなり、液体圧力室と個別駆動電極の位置ずれにより生じる前記個別駆動電極、前記共通電極、前記液体圧力室および前記液体吐出孔からなる液体吐出素子の液体吐出速度のバラツキを低減できる。

本発明の積層圧電アクチュエータの製造方法によれば、動板上に、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とをこの順に積層し、さらに圧電セラミック層、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とを積層してなる積層部を１以上積層してなる積層圧電アクチュエータの製造方法であって、焼成により圧電セラミック層を作製する工程と、前記共通電極層となる導体ペーストを、前記振動板上、前記振動板となるセラミック成形体、前記圧電セラミック層、前記圧電セラミック層となるセラミック成形体の少なくともひとつに塗布する工程と、必要であれば、前記振動板となるセラミック成形体と前記圧電セラミック層となるセラミック成形体とを積層する工程とを含み、記個別駆動電極層の形成は、焼成後の圧電セラミック層に導体ペーストを塗布し、焼成して行なうとともに、少なくとも前記積層圧電アクチュエータの内部の前記個別駆動電極層を挟んで配置される前記圧電セラミック層同士は、前記個別駆動電極層が焼成後の前記圧電セラミック層の主面に形成された後に、前記個別駆動電極層の焼成よりも低温で、接着層を介して接合することにより、圧電セラミック層の焼成収縮のばらつきにより生じる前記個別駆動電極の位置ずれを抑制できる。

本発明の積層圧電アクチュエータについて図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の積層圧電アクチュエータの一例の部分縦断面図である。

積層圧電アクチュエータ１は、圧電セラミック層１１、振動板１２、接着層１３、共通電極層１５、個別駆動電極が複数含まれる個別駆動電極層１７およびスルーホール導体１９で構成したものであり、振動板１２上に、共通電極層１５、圧電セラミック層１１、個別駆動電極層１７が積層され、さらに個別駆動電極層１７上に、圧電セラミック層１１、共通電極層１５、圧電セラミック層１１、個別駆動電極層１７を積層してなる積層部が１つ積層されている。そして、積層圧電アクチェータ１の内部の個別電極層１７を挟んで配置されている圧電セラミック層１１同士は前記個別電極層の周囲で接着層を介して接合されている。積層圧電アクチュエータ１内部の個別駆動電極層１７と積層圧電アクチュエータ１表面の個別駆動電極層１７とは、各個別駆動電極が重なり合うように配置され、スルーホール導体１９で電気的に接続されている。

なお、図示した積層圧電アクチュエータは、圧電セラミック層１１、共通電極層１５、圧電セラミック層１１、個別駆動電極層１７を積層してなる積層部が１つ積層されているものであるが、この積層部を複数積層してもよい。

個別駆動電極層１７とそれに面する共通電極層１５は変位素子１０の電極を構成するものであり、個別駆動電極層１７と共通電極層１５に挟まれた圧電セラミック層１１は、圧電特性、例えば、分極されて横振動モードの圧電変位特性を持つものである。そして、個別駆動電極層１７および共通電極層１５を外部回路と電気的に接続し、個別駆動電極層１７と共通電極層１５との間に駆動電圧を印加することにより変位素子１０が変位する。

積層アクチュエータ１は、図１（ｂ）に示した積層体１Ａと積層体１Ｂに個別駆動電極層１７を形成し、接着層１３で接合したものである。積層体１Ａは、２層の圧電セラミック層１１の間に共通電極層１５が形成され、さらに積層体１Ａを貫通してスルーホール導体１９が形成されたものであり、積層体１Ｂは、振動板１２と圧電セラミック層１１との間に共通電極層１５が形成されたものである。

積層体１Ａおよび積層体１Ｂは、例えば次のように作製できる。まず、原料として圧電性セラミックス粉末、例えば、純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を準備する。この圧電セラミックス粉末に、適当な有機バインダーを添加・混合し、薄いシート状に成形し、圧電セラミック粉末のグリーンシートを作製する。このグリーンシートの一部に共通電極層１５となるＡｇ−Ｐｄペーストを塗布し、この共通電極層１５上にさらに圧電セラミック粉末のグリーンシートを積層し、１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧した後、所望の形状に切断する。これを、４００℃程度に加熱処理し、脱有機バインダーし、その後、圧電セラミックスの焼結する温度で焼成する。

以上により積層体１Ｂが作製できる。続いて、所望の位置にレーザーなどにより貫通孔を形成し、その貫通孔にスルーホール導体１９となるＡｇ−Ｐｄペーストを充填する。以上により積層体１Ａが作製できる。なお、貫通孔の形成およびＡｇ−Ｐｄペーストを充填は圧電セラミック層１１の焼成前に行ってもかまわない。

本発明の積層圧電アクチュエータの製造方法によれば、個別駆動電極層１７が形成されていない複数の積層体１Ａ、IＢを作製し、前記複数の積層体１Ａ、１Ｂに個別駆動電極層１７となる導体ペーストなどを塗布し、焼成し個別駆動電極層１７を形成した後、前記複数の積層体１Ａ、IＢの接合を接着層１３で行なうことが重要である。なお、接着は各層の個別駆動電極層１７の位置ズレを少なくするように位置を合わせて接着層１３を介して接合する。ここでいう位置ズレとは各層に形成されている個別電極層が積層方向とは垂直な方向に位置がずれるものである。

接着層１３として用いられる接着剤としては、有機樹脂接着剤、無機接着剤のいずれでもよい。無機接着剤としては、例えば、ガラスが例示できる。接着剤による接着は、圧電セラミック層１１の変形の防止、共通電極層１５や個別駆動電極層１７と圧電セラミック層１１との反応の防止、低コスト化のために前述の共通電極層１５や個別駆動電極層１７を形成する温度以下（例えば、それらが導体ペーストを焼成して形成されるのであれば、その焼成温度以下）で行なうのが好ましい。

ここで、図５に示す従来の積層圧電アクチュエータ５０１を作る際の位置ずれについてまとめる。積層圧電アクチュエータ５０１は、振動板５１２上に、共通電極層５１５、圧電セラミック層５１１、個別駆動電極層５１７、圧電セラミック層５１１、共通電極層５１５、圧電セラミック層５１１、個別駆動電極層５１７をこの順にそれぞれ２層積層されており、積層圧電アクチュエータ５０１内部の個別駆動電極層５１７と積層圧電アクチュエータ５０１表面の個別駆動電極層５１７とは、各個別駆動電極が重なり合うように配置され、スルーホール導体５１９で電気的に接続されている。

このような、積層圧電アクチュエータ５０１は、圧電セラミック層５１１となるとグリーンシート、振動板５１２となるグリーンシート、個別駆動電極層５１７および共通電極層５１５となる導体ペーストが積層された積層体を作製し、各グリーンシートと導体ペーストを同時焼成する。圧電セラミック層５１１と個別電極層５１７を同時焼成する場合の個別駆動電極層５１７の精度の劣化は、次の２つに分けられる。ひとつには、複数層の個別駆動電極５１７の位置が積層方向と垂直に相対的にずれる位置ずれと、圧電セラミック層５１１が焼成により積層方向と垂直な方向に収縮する際に焼成収縮のバラツキにより個別駆動電極５１７の大きさが設計寸法からずれる寸法ずれとがある。これらのずれは、積層圧電アクチュエータ単体５０１で動作させた際にも、変位素子の変位量がばらつくことになる。

もうひとつは、圧電セラミック層５１１が焼成により積層方向と垂直な方向に収縮する際に、積層圧電アクチュエータ５０１全体の収縮率が設計と異なってしまったり、積層圧電アクチュエータ５０１の部位によって収縮率が異なっていることにより、歪んだ形状になってしまったりする寸法ずれである。これらのずれは、積層圧電アクチュエータ５０１単体で動作させた際の変位素子の変位量には影響は少ないが、積層圧電アクチュエータ５０１を流路部材に接合させると、複数ある変位素子と流路部材の液体加圧室の位置がずれるため、液体吐出素子の液体吐出の状態、例えば液体吐出速度などがばらつくことになる。

従来の製造方法では、内部に個別駆動電極が形成された圧電アクチュエータを作製する際に、例えば、圧電セラミック層１１と個別駆動電極層１７を同時焼成するなど、焼成時の変形により個別駆動電極層１７の形成精度が劣化していたが、個別駆動電極層１７を焼成された圧電セラミック層１１上に形成し、圧電セラミック層１１の収縮変形を伴わない接着を行なうことにより、個別駆動電極層１７を高精度に形成できる。

すなわち、積層圧電アクチュエータ内部の個別駆動電極層１７は圧電セラミック層１１を焼成して作製した後、個別駆動電極層１７に近接する上下の前記圧電セラミック層同士を接着層１３で接合することにより、圧電セラミック層１１を焼成焼結収縮による積層圧電アクチュエータ表面の個別駆動電極層１７と積層圧電アクチュエータ内部の個別駆動電極層１７との位置ずれを抑制することができる。そして、その結果、多数の変位素子１０の特性バラツキが抑制され、特性バラツキの少ない複数の変位素子１０を有する積層圧電アクチュエータを提供できる。

各積層体１Ａ、１Ｂを接着後、分極して積層圧電体である積層圧電アクチュエータ１を得ることができる。

上述の例では、個別駆動電極層１７が２層、共通電極層１５が２層のものを示したが、さらに、３層以上に多層化してもよい。

振動板１２は圧電セラミックスからなり、圧電セラミック層１１は、セラミック振動板１２と略同一組成の圧電セラミックスからなる。ここで、本発明における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）等を例示できるが、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（共通電極層１５、個別駆動電極層１７）との濡れ性を高めるとともに、電極との密着強度を高める点で好適である。

特に、本発明では、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ｄ_３１を有する安定な圧電セラミックス（積層圧電アクチュエータ１）を得られるため好ましい。

また、圧電セラミック層１１および振動板１２を形成する圧電セラミックスは、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、ＹｂおよびＴｅのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これによって、より安定した圧電セラミックス（積層圧電アクチュエータ１）を得ることがでる。このような圧電セラミック層１１および振動板１２を形成する圧電セラミックスとしては、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３およびＰｂ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）Ｏ_３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１１および振動板１２を形成する圧電セラミックスは、特に、Ａサイト構成元素として、さらに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変位が大きくなるため好ましい。

このような圧電セラミックスとしては、例えば、Ｐｂ_{１−ｘ―ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）_ａ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）_ｂＺｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｔｉ_ｃＯ_３＋αｗｔ％Ｐｂ_１／２ＮｂＯ_３（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。

また、本発明にかかる圧電セラミックスのｃ軸の格子定数とａ軸の格子定数の比ｃ／ａは、１．０１〜１．０１６の範囲であることが、高い変位と耐久性を確保する点で好ましい。本発明では、特に、変位バラツキの点から１．０１２〜１．０１４の範囲が好ましい。なお、前記ｃ／ａは、例えば後述のように、Ｘ線回折（XRD: X-Ray diffraction）が測定でき、それらから求めることができる。

グリーンシートを積層して積層体１Ａ、１Ｂを作製する場合に、圧電セラミック層１１を焼成する際には、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とを、積層体１Ａ、１Ｂの両面もしくは片面に配置し、加圧密着を行なうことが好ましい。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１Ａ、１Ｂのソリを低減するという効果が期待でき、後述する流路部材（液体流路を形成するステンレス鋼（ＳＵＳ）パーツ）との接着の際の応力低減を可能にする。

さらに、焼結前の生密度が４．５ｇ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。焼結体密度を４．５ｇ／ｃｍ^２以上に上げることにより、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。

なお、上述の例では、積層圧電アクチュエータ１を作製する中間段階として、圧電セラミック層１１を焼成済みの積層体１Ａおよび圧電セラミック層１１を焼成済みの積層体１Ｂを作製し、それらに個別駆動電極層１７を形成し、積層体１Ａと積層体１Ｂを接着しているが、中間段階の積層体としては、別の形態のものを作製してもよい。

例えば、図４（ａ）に示すように積層体１０１Ａ（積層されたものではないが、便宜上このように呼ぶ。以降も同様。）として圧電セラミック層１１１、積層体１０１Ｂとして共通電極層１１５の形成された圧電セラミック層１１１、積層体１０１Ｃとして圧電セラミック層１１１、積層体１０１Ｄとして共通電極層１１５の形成された振動板１１２、を作製し、積層体１０１Ａおよび積層体１０Ｃに個別駆動電極１１７を形成した後、各積層体を、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄの順に接着してもよい。なお、共通電極層１１５は、圧電セラミック層１１１の焼成時に形成せず、圧電セラミック層１１１を焼成後に形成してもよい。

さらに、例えば、図４（ｂ）に示すように、積層圧電アクチュエータ２０１内部の個別駆動電極層２１７は、積層体２０１Ａの積層圧電アクチュエータ２０１表面の個別駆動電極層２１７と対向する面に形成してもよい。

本発明の積層圧電アクチュエータ１、１０１、１０２は、上記の積層圧電体を具備するものであり、このような積層圧電アクチュエータ１、１０１，１０２は、高い変位を有するという特徴を有する。特に、前記積層圧電体が、流路部材に接合されてなるものであることが好ましい。

本発明の積層圧電アクチュエータは１、１０１、１０２、上述のように、一基板（セラミック振動板）上に複数の変位素子１０を備えているので、インクジェット方式を利用した記録装置に用いられるインクジェット式印刷ヘッドに好適に用いることができる。

以下、本発明の積層圧電アクチュエータを液体吐出ヘッドの一例であるインクジェット式印刷ヘッドに用いた一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本実施形態の印刷ヘッド示す概略縦断面図であり、このインクジェット式印刷ヘッドは、複数の液体加圧室２３が設けられ、各液体加圧室２３を仕切る壁として隔壁２１を形成した流路部材３上に図１の構造を有する積層圧電アクチュエータ１が接合されている。接合は、振動板１２が各液体加圧室２３の空間を覆うように流路部材３上に接着剤等を用いて行われている。より具体的には、変位素子１０の個別駆動電極層１７と、各液体加圧室２３とが対応するように接合されている。図３（ａ）は積層圧電アクチュエータ１の平面図であり、図３（ｂ）は流路部材３の平面図である。積層圧電アクチュエータ１の表面には個別駆動電極層１７がマトリックス状に形成されている。流路部材３には、複数の液体加圧室２５がマトリックス状に形成され、各液体加圧室２３には液体吐出孔２５が形成されている。なお、図２および図３（ｂ）では省略してあるが、各液体加圧室には液体を供給する液体流路が接続されている。

このインクジェット式印刷ヘッドは、セラミック振動板１２上に、共通電極層１５、圧電セラミック層１１および個別駆動電極層１７が積層され、個別駆動電極層１７が圧電セラミック層１１の表面に複数配列された積層圧電アクチュエータ１０を、液体加圧室２３の直上に駆動電極１７が配置されるように流路部材１６に接着したものである。

そして、個別駆動電極層１７と共通電極層１５との間に駆動回路より電圧を印加し、電圧が印加され変位した変位素子１０に対応する液体加圧室２３内の液体を加圧し、積層圧電アクチュエータ１を振動させることにより、各液体加圧室２３内の液体を流路部材３の底面に開口させた液体吐出孔２５より液滴を吐出させる。

このような印刷ヘッド５のアクチュエータとして本発明の積層圧電体である積層圧電アクチュエータを用いることによって、安価なＩＣを用いて印刷ヘッド５を実現することができる。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５をプリンタに搭載することによって、例えば、印刷ヘッド５に液体を供給する液体タンクと、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。そして、接着層を介して接合することにより高剛性を有する積層圧電アクチュエータ１を有することができ、剛性が高いため１０ｍＰａ・ｓ以上の高粘度の液体を吐出することができる。

なお、振動板１２は圧電セラミック層１１と同一組成の圧電セラミックスからなるのが好ましいが、振動板１２の組成は圧電セラミック層１１の組成と完全に一致している必要はなく、本発明の効果、すなわち変位劣化を抑制し、優れた駆動耐久性を奏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。

また、図２では、図１の構造を有する積層圧電アクチュエータ１を印刷ヘッド５に適用した例を示したが、図４（ａ）および図４（ｂ）の構造を有する積層圧電アクチュエータ１０１、２０１を流路部材３に接合した印刷ヘッドでも同様の作用効果が得られることはいうまでもない。

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。

原料として純度９９％以上のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含有する圧電セラミックス粉末、チタン酸鉛（ＰＴ）を含有する圧電セラミックス粉末およびチタン酸バリウム（ＢＴ）を含有する圧電セラミックス粉末をそれぞれ準備した。そして、準備した各圧電セラミックス粉末を表１に示す組み合わせで用いてグリーンシート（圧電セラミック層用および振動板用）を作製した。すなわち、表１に示す各圧電セラミック粉末に、水系バインダーとしてブチルメタクリレート、分散剤にポリカルポ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、このスラリーをドクターブレード法によりキャリアフィルム上に、厚さ９〜４５μｍのシート形状に、それぞれ作製した。

ついで、共通電極用のペーストを、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。さらに、共通電極が印刷された面を上向きにして振動板用グリーンシートの上に圧電セラミック層用グリーンシートを積層し、加圧プレスして積層体を得た。

さらに、前記積層体の収縮率からあらかじめ駆動電極が配置される位置にレーザーで貫通孔を形成し、その貫通孔にスルーホール導体となる共通電極用ペーストを流し込んだものを作製した。

上記の積層体を脱脂処理した後に、１０３０℃、酸素９９％以上の雰囲気中で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体を作製した。ついで、この積層体の表面の片側に個別駆動電極を形成した。個別駆動電極は、スクリーン印刷でＡｕペーストを塗布した。これを６００〜８００℃、大気中で焼付けて形成した。次に、図１に示すように、内部の個別駆動電極と表面の個別駆動電極の位置を合わせて、積層体１Ａと積層体１Ｂとを接着層を用いて接着した。試料Ｎｏ．２〜５では接着層としてエポキシ系接着剤で接着を行った。試料Ｎｏ．１では接着層としてガラスペーストを塗布し、５００℃に加熱して接着を行なった。最後に、駆動電極にリード線を半田で接続し、図１に示すような形状の圧電素子である積層圧電アクチュエータ１５を作製した。これらの積層圧電アクチュエータ１５は個別駆動電極と共通電極の間に圧電セラミック層が３層あり、活性層が３層である。

試料Ｎｏ．６としては、個別駆動電極と積層体１Ａをもう一組作成し、積層体１Ａ、積層体１Ａ、積層体１Ｂの順に積層し、エポキシ系接着剤で接着した。この積層圧電アクチュエータは活性層が５層である。

試料Ｎｏ．７としては、圧電セラミック層焼成の前に、個別駆動電極層を共通電極用のペーストと同じペースト用いてスクリーン印刷で印刷し、４層のグリーンシートを積層し、焼成して、図５に示したの積層圧電アクチュエータを作製した。

試料Ｎｏ．８としては、圧電セラミック層焼成の前に、個別駆動電極層を共通電極用のペーストと同じペースト用いてスクリーン印刷で印刷し、２層のグリーンシートを積層し、焼成して、個別駆動電極層１層、共通電極１層を含む活性層１層のアクチュエータを作製した。

積層圧電アクチュエータの物性を示す格子定数比ｃ／ａは以下のようにして測定した。その測定結果を表１に示す。

（格子定数比ｃ／ａ）
各圧電セラミック層の格子定数比ｃ／ａは、上記で説明したａ軸配向度の測定と同様にして、Ｘ線回折からａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数の比率を求めた。

（変位バラツキの評価方法）
上記で得られた積層圧電アクチュエータを８ｍｍ×８ｍｍの大きさに加工して試験片を作製し、この試験片を１０ｍｍ×１０ｍｍの外形に４ｍｍ×４ｍｍの孔を空けた金属基板に接着し、変位測定用サンプルとした。そして、共通電極と個別駆動電極間との厚み方向に３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を５分間印加して分極を行った。ついで、共通電極および個別駆動電極間に駆動電圧を２０Ｖ印加して変位を測定した。変位量が１００ｎｍ以上、および平均変位量に対する各素子２８点の変位バラツキ３σの比率が１５％以内のものを良品とした。

表１から明らかなように、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜７変位量が１００ｎｍ以上、変位バラツキ比率１５％以内であった。一方、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．７は、変位バラツキが１５％以上と大きい結果を示した。また、発明の範囲外である試料Ｎｏ．８は、変位量が８５ｎｍと小さかった。

（ａ）は本発明の積層圧電アクチュエータの一例を示す部分縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した積層圧電アクチュエータの接着前の状態を示した部分縦断面図である。本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す部分縦断面図である。（ａ）は本発明の積層圧電アクチュエータの一例の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の積層圧電アクチュエータに接合される流路部材の平面図である。（ａ）は本発明の積層圧電アクチュエータの別の例を示す部分縦断面図であり、（ｂ）は本発明の積層圧電アクチュエータのさらに別の例を示す部分縦断面図である。従来の本発明の液体吐出ヘッドの部分縦断面図である。

符号の説明

１・・・積層圧電アクチュエータ
３・・・流路部材
５・・・液体吐出ヘッド
１１、１１１、２１１・・・圧電セラミック層
１２、１１２、２１２・・・振動板
１３、１１３、２１３・・・接着層
１５、１１５、２１５・・・共通電極（共通電極層）
１７、１１７、２１７・・・個別駆動電極（個別駆動電極層）
１９、１１９、２１９・・・スルーホール導体
２１・・・隔壁
２３・・・液体加圧室
２５・・・インク吐出孔
３１・・・液体吐出素子

Claims

振動板上に、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とをこの順に積層し、さらに圧電セラミック層、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とを積層してなる積層部を１以上積層してなる積層圧電アクチュエータであって、前記圧電セラミック層はいずれも、前記複数の個別駆動電極間にわたって存在し、前記積層圧電アクチュエータの内部の前記個別駆動電極層を挟んで配置されている圧電セラミック層同士が前記個別駆動電極層の周囲で接着層を介して接合されていることを特徴とする液体吐出ヘッド用積層圧電アクチュエータ。
請求項１記載の積層圧電アクチュエータと流路部材とが積み重ねられた液体吐出ヘッドであって、前記流路部材に、複数の前記個別駆動電極にそれぞれ対応した位置に、液体吐出孔を有する複数の液体圧力室が配設されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
振動板上に、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とをこの順に積層し、さらに圧電セラミック層、共通電極層、圧電セラミック層、複数の個別駆動電極を含む個別駆動電極層とを積層してなる積層部を１以上積層してなる積層圧電アクチュエータの製造方法であって、焼成により圧電セラミック層を作製する工程と、前記共通電極層となる導体ペーストを、前記振動板、前記振動板となるセラミック成形体、前記圧電セラミック層、前記圧電セラミック層となるセラミック成形体の少なくともひとつに塗布する工程とを含み、前記個別駆動電極層の形成は、焼成後の圧電セラミック層に導体ペーストを塗布し焼成して行なうとともに、少なくとも前記積層圧電アクチュエータの内部の前記個別駆動電極層を挟んで配置される前記圧電セラミック層同士を、前記個別駆動電極層を焼成後の前記圧電セラミック層の主面に形成した後に、前記個別駆動電極層の焼成よりも低温で、接着層を介して接合することを特徴とする液体吐出ヘッド用積層圧電アクチュエータの製造方法。