(57)【要約】【課題】  圧電セラミック層の分極時に発生するクラックを低減させることのできる液体吐出ヘッドを提供することにある。【解決手段】  複数の液体加圧室と該複数の液体加圧室に連通した複数の液体吐出孔とを有する流路部材上に、前記複数の液体加圧室を覆うように振動板を積層するとともに、該振動板上に、共通電極、圧電セラミック層、および複数の個別電極をこの順に積層し、前記共通電極、前記圧電セラミック層および前記個別電極で変位素子を形成した液体吐出ヘッドであって、前記個別電極はそれぞれ、該個別電極の近傍で積層方向から見て前記液体加圧室の外側に形成された給電パッドに、積層方向から見て前記個別電極の外辺が前記液体加圧室の内側に位置している部位から、複数の接続線を介して接続させる。【選択図】図１
2008290409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の液体加圧室と該複数の液体加圧室に連通した複数の液体吐出孔とを有する流路部材上に、前記複数の液体加圧室を覆うように振動板を積層するとともに、該振動板上に、共通電極、圧電セラミック層、および複数の個別電極をこの順に積層し、前記共通電極、前記圧電セラミック層および前記個別電極で変位素子を形成した液体吐出ヘッドであって、前記個別電極はそれぞれ、該個別電極の近傍で積層方向から見て前記液体加圧室の外側に形成された給電パッドに、積層方向から見て前記個別電極の外辺が前記液体加圧室の内側に位置している部位から、複数の接続線を介して接続されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記液体加圧室および前記個別電極はそれぞれ、積層方向から見て略平行四辺形であり、前記複数の接続線は前記個別電極の１つの頂点を形成する２つの辺に分けて接続されているとともに、前記接続線が接続された部位の前記個別電極の外辺と前記液体加圧室の外辺とが平行であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
積層方向から見て、前記液体加圧室の外辺と前記接続線の両外辺との成す角度がいずれも鈍角または直角であることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッドに関し、特に、文字や画像の記録に用いるインクジェット式プリンタに搭載される液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、インク滴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滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。
【０００３】
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としては、例えば図４（ａ）の部分断面図および図４（ｂ）の部分上面図に示すように、複数の溝が液体加圧室１２３ａとしてマトリックス状に設けられ、各液体加圧室１２３ａを仕切る壁として隔壁１２３ｂを形成した流路部材１２３の上に、圧電アクチュエータ１１６が接合された構造を有するものが提案されている（例えば特許文献１。）。
【０００４】
圧電アクチュエータ１１６は、圧電セラミック層１１３の一方の主面に共通電極１１２を形成するとともに、他方の主面に複数の個別電極１１４を形成し、圧電セラミック層１１３の共通電極１１２が形成された主面に、振動板１１１を積層したもので、各個別電極１１４と圧電セラミック層１１３と共通電極１１２とからなる複数の変位素子１１５が設けられている。この圧電アクチュエータ１１６は、流路部材１２３の開口部である液体加圧室１２３ａの直上に個別電極１１４が位置するように、流路部材１２３と接合される。
【０００５】
そして、共通電極１１３と個別電極１１４との間に電圧を印加して変位素子１１５を屈曲させることにより液体加圧室１２３ａ内のインクを加圧し、流路部材１２３の底面に開口している液体吐出孔１２８よりインク滴を吐出させる構造になっている。
【０００６】
また、図４（ｂ）に示すように、圧電セラミック層１１３上に個別電極１１４を等ピッチで多数並べて設け、変位素子１１５を多数設けた印刷ヘッドを構成して、各変位素子１１５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、高精度化することが可能である。個別電極１１４には、電圧を印加するための給電パッド１１８が接続線１１７を介して接続されている。
【０００７】
そして、積層方向から見て、個別電極１１４は液体加圧室１１３ａより小さい面積を有している。液体加圧室１２３ａ上に分極された圧電活性部とそれを取り囲むように分極されていない非活性部があり、さらに、それらの外側に拘束部１１６ａがあることにより変位素子１１５は大きな変位が得られるようになる。
【特許文献１】特開２００４−１１４３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の液体吐出ヘッドでは、圧電アクチュエータ１１６と流路部材１２３とを接合させた後に、個別電極１１４と共通電極１１２とに挟まれた圧電セラミック層１１３の分極を行なうと、分極する際に個別電極１１４と共通電極１１２あるいは接続線１１７と共通電極１１２に挟まれた圧電セラミック層１１３に圧電歪が発生し、周囲の圧電セラミック層１１３との間で応力が生じて、接続線１１７付近にクラックが発生してしまうという問題があった。
【０００９】
クラックが発生するのは、積層方向から見て接続線１１７と液体加圧室１２３ａとが重なっている部分であった。接続線１１７は、流路部材１２３と接合されているため圧電アクチュエータ１１６が変形しない拘束部１１６ａと流路部材１２３と接合されているため圧電アクチュエータ１１６が変形する非拘束部１１６ｂとの境界を跨いで形成されているため、非拘束部１１６ｂの接続線１１７下部の圧電セラミック層１１３に圧電歪が発生すると、拘束部１１６ａと非拘束部１１６ｂとの境界付近に応力が集中するからである。
【００１０】
なお、圧電アクチュエータ１１６の厚みＴ１が１００μｍ程度以下と薄い場合には、圧電アクチュエータ１１６を流路部材１２３と接合する前に分極を行なうと、圧電アクチュエータ１１６が大きく反ってしまう。この反りにより、圧電アクチュエータ１１６が破損してしまうか、破損しなくても流路部材１２３に接合させることが困難になる。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、圧電セラミック層の分極時に発生するクラックを低減させることのできる液体吐出ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の液体吐出ヘッドは、複数の液体加圧室と該複数の液体加圧室に連通した複数の液体吐出孔とを有する流路部材上に、前記複数の液体加圧室を覆うように振動板を積層するとともに、該振動板上に、共通電極、圧電セラミック層、および複数の個別電極をこの順に積層し、前記共通電極、前記圧電セラミック層および前記個別電極で変位素子を形成した液体吐出ヘッドであって、前記個別電極はそれぞれ、該個別電極の近傍で積層方向から見て前記液体加圧室の外側に形成された給電パッドに、積層方向から見て前記個別電極の外辺が前記液体加圧室の内側に位置している部位から、複数の接続線を介して接続されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記液体加圧室および前記個別電極はそれぞれ、積層方向から見て略平行四辺形であり、前記複数の接続線は、前記個別電極の１つの頂点を形成する２つの辺に分けて接続されているとともに、前記接続線が接続された部位の前記個別電極の外辺と前記液体加圧室の外辺とが平行であることが好ましい。
【００１４】
また、積層方向から見て、前記液体加圧室の外辺と前記接続線の両外辺との成す角度がいずれも鈍角または直角であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の液体吐出ヘッドによれば、複数の液体加圧室と該複数の液体加圧室に連通した複数の液体吐出孔とを有する流路部材上に、前記複数の液体加圧室を覆うように振動板を積層するとともに、該振動板上に、共通電極、圧電セラミック層、および複数の個別電極をこの順に積層し、前記共通電極、前記圧電セラミック層および前記個別電極で変位素子を形成した液体吐出ヘッドであって、前記個別電極はそれぞれ、該個別電極の近傍で積層方向から見て前記液体加圧室の外側に形成された給電パッドに、積層方向から見て前記個別電極の外辺が前記液体加圧室の内側に位置している部位から、複数の接続線を介して接続されていることにより、個別電極と共通電極とに挟まれた圧電セラミック層を分極する際に、接続線と共通電極とに挟まれた圧電セラミック層の圧電歪みにより生じる応力が低減できる。すなわち、例えば、１本であった接続線を２本に分割した場合、接続線の幅を１本の場合よりも細くすることができ、接続線の幅方向の外辺部に生じる応力を小さくすることができる。
【００１６】
また、前記液体加圧室および前記個別電極はそれぞれ、積層方向から見て略平行四辺形であり、前記複数の接続線は、前記個別電極の１つの頂点を形成する２つの辺に分けて接続されているとともに、前記接続線が接続された部位の前記個別電極の外辺と前記液体加圧室の外辺とが平行である場合、まず、前記液体加圧室および前記個別電極を、それらの各辺を平行に配置すると、液体吐出素子を平面上に稠密に面積効率が高く配置でき、例えば、液体吐出ヘッドを、インクジェットプリンタのヘッドとして使用すると、液体吐出素子間の距離が短いため緻密な画像を記録できる。さらに、接続線が液体加圧室の頂点の両側に接続されているため、圧電歪が発生する有効面積が低減させることができ、その結果、隣接する液体加圧室とのクロストークが大きくなることが抑制できる。
【００１７】
また、積層方向から見て、前記液体加圧室の外辺と前記接続線の外辺に挟まれた前記圧電セラミック層は、一辺は前記流路部材により固定され、他辺は分極する際に前記接続線と前記共通電極とに挟まれた前記圧電セラミック層が変形するため、特に応力の集中する部分であるが、前記液体加圧室の外辺と前記接続線の両外辺との成す角度がいずれも鈍角または直角である場合、この部分で応力を発生させる圧電セラミック層よりも応力を緩和させる圧電セラミック層の割合が大きくなるため変形の応力の集中が緩和でき、前記セラミック層の破損が抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の液体吐出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。
【００１９】
図１（ａ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドを示す部分縦断面図であり、図１（ｂ）は、その部分上面図である。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッドは、複数の液体加圧室２３ａと複数の液体加圧室２３ａにそれぞれ連通した複数の液体吐出孔２８とを有する流路部材２３上に、複数の液体加圧室２３ａを覆うように圧電アクチュエータ１６が積層されている。圧電アクチュエータ１６は、流路部材２３に接している側から順に、振動板１１、共通電極１２、圧電セラミック層１３、複数の個別電極１４が積層されている。そして、共通電極１２、圧電セラミック層１３および個別電極１４で１つの変位素子１５が形成され、この変位素子１５が個別電極１４に数だけ設けられている。さらに、個別電極１４はそれぞれ、個別電極１４の近傍で積層方向から見て液体加圧室２３ａの外側に形成された給電パッド１８に、積層方向から見て個別電極１４の外辺が液体加圧室２３ａの内側に位置している部位から、複数の接続線１７を介して接続されている。
【００２１】
ここで、流路部材２３に接合された部分の圧電セラミック層１３は、応力を受けても変形し難い拘束部１６ａであり、流路部材２３に接合されていない部分の圧電セラミック層１３は、応力を受けると変形可能な非拘束部１６ｂである。
【００２２】
そして、本発明の液体吐出ヘッドは、外部の制御回路などに給電パッド１８と共通電極１２とが接続され、それらの間に電圧を加えると、個別電極１４と共通電極１２との間の圧電セラミックス層１３が変位して変位素子１５が変位することにより、液体加圧室２３ａの体積が変わり、それにより液体吐出口２８から液体を吐出させるものである。
【００２３】
流路部材２３は圧延法等によって得られ、液体吐出口２８および液体加圧室２３ａ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２３は、例えばＦｅとＣｒとを主成分とする合金、ＦｅとＮｉとを主成分とする合金、ＷＣとＴｉＣとを主成分とする合金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、インクを吐出する用途では、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とＣｒ系とを主成分とする合金がより好ましい。
【００２４】
また、流路部材２３は、例えば厚み３０〜１００μｍ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２３ａ、液体吐出口２８および液体流路（不図示）等を構成するように組み合わせることができる。
【００２５】
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。
【００２６】
圧電アクチュエータ１６は、図１（ａ）に示すように、振動板１１、共通電極１２、圧電セラミック層１３および個別電極１４、接続線１７および給電パッド１８で構成されており、振動板１１上に、共通電極１２、圧電セラミック層１３および個別電極１４、接続線１７、給電パッド１８をこの順に積層したものである。
【００２７】
共通電極１２、個別電極１４、給電パッド１８は、圧電アクチュエータ１６の電極を構成するものであり、個別電極１４と給電パッド１８は対となり、図１（ｂ）に示すように、圧電セラミック層１３の表面に複数形成されている。これにより、共通電極１２、個別電極１４で圧電セラミック層１３を挟んで構成される変位素子１５が複数形成される。したがって、圧電アクチュエータ１６は、厚み方向に非対称の構造を有する。
【００２８】
圧電アクチュエータ１６の厚みＴ１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１６の厚みＴ１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。上述した通り、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１６は、圧電セラミック層１３を分極する際に問題の発生するおそれがある。なお、厚みＴ１は、圧電セラミック層１３、共通電極１２および振動板１１を含む部分の厚みのことであり、個別電極１４の厚みは、厚みＴ１に含まない。
【００２９】
圧電アクチュエータ１６と流路部材２３とを接合させる前に分極を行なうと、圧電アクチュエータ１６が大きく反ってしまう。この反りにより、圧電アクチュエータ１６は、破損してしまうか、破損しなくても流路部材２３に接合させることが困難になる。そこで、圧電アクチュエータと流路部材とを接合させた後に分極を行なうと、分極する際に個別電極１４と共通電極１２あるいは接続線１７と共通電極１２に挟まれた圧電セラミック層１３に圧電歪が発生し、周囲の圧電セラミック層１３との間で引張応力が生じて、圧電アクチュエータ１６にクラックが発生してしまうという問題があるが、このような構成の圧電アクチュエータ１６であっても、後述するように、接続線１７を所定の状態とすることによって、クラックが発生しにくく、かつ個別電極１２の接合信頼性を高く保つことができる。
【００３０】
給電パッド１８および接続線１７を介し個別電極１４と共通電極１２との間に電圧を印加すると、該電圧が印加された個別電極１４と共通電極１２に挟まれた部位の圧電セラミック層１３が変位する。具体的には、圧電セラミック層１３は、振動板１１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１５は積層方向に屈曲する。その結果、圧電アクチュエータ１６はユニモルフ型のアクチュエータとして駆動する。
【００３１】
圧電アクチュエータ１６の駆動は、駆動時の電界強度Ｅと、圧電セラミック層１３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１６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。
【００３２】
振動板１１は圧電セラミックスからなり、圧電セラミック層１３は、振動板１１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、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１２、個別電極１４、接続線１７および給電パッド１８）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。
【００３３】
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１６）を得る上で好ましい。
【００３４】
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１３および振動板１１）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。
【００３５】
圧電セラミック層１３および振動板１１は、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、ＹｂおよびＴｅから選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。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１６）を得ることがでる。このような圧電セラミック層１３および振動板１１としては、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３およびＰｂ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）Ｏ３を固溶してなるものを例示できる。
【００３６】
また、圧電セラミック層１３および振動板１１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上で有利である。
【００３７】
このような圧電セラミック層１３および振動板１１としては、例えばＰｂ１−ｘ−ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）ａ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）ｂＺｒ１−ａ−ｂ−ｃＴｉｃＯ３＋α重量％Ｐｂ１／２ＮｂＯ３（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。
【００３８】
積層圧電体磁器である圧電セラミック層１３および振動板１１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。
【００３９】
圧電セラミック層１３の厚みＴ２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１５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１１の厚みＴ３は５〜５０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍ程度であるのがよい。
【００４０】
共通電極１２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１２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。また、同時焼成で作製する上で、共通電極１２が銀を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。
【００４１】
個別電極１４および接続線１７としては、上記した共通電極１２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。そして、個別電極１４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。そして、接続線１７の厚さは、断線等の発生を抑制するため、１μｍ以上であることが好ましく、圧電アクチュエータ１６を製造する際に、接続線１７の形成された部分と形成されていない部分との間で変形を抑制するため５μｍ以下であることが好ましい。さらに好ましい厚みは１．５〜３μｍである。
【００４２】
給電パッド１８としては、上記した共通電極１２、個別電極１４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、給電パッド１８の高さは、導電性を有し接合上問題にならない程度である必要があり、例えば１〜２０μｍ程度、好ましくは５〜１５μｍであるのがよい。
【００４３】
接続線１７は、個別電極１４と給電パッド１８との間を複数本で接続することが重要である。これは、圧電アクチュエータ１６と流路部材２３とを接合すると、流路部材２３と接合している拘束部１６ａと流路部材２３と接合していない非拘束部１６ｂの境界に位置する部分、つまり非拘束部１６ｂ上の接続線１７およびその周囲に分極時の応力が集中する。この応力集中を緩和させるには、接続線１７を複数に分けることにより、分極時に圧電歪みが起きる圧電有効面積を小さくすることが有効なためである。そして、接続線１７の１本あたりの幅は７０μｍ以下が好ましく、より好ましくは５０μｍ以下であるのがよい。接続線１７の幅が狭くなることにより、圧電有効面積が小さくなるため、応力が小さくなるからである。接続信頼性を高くするためには、接続線１７の１本あたりの幅は１０μｍ以上が好ましく、より好ましくは２０μｍ以上である。
【００４４】
また、仮に接続線１７の１つに異常が起こったとしても、複数接続のために断線にはならない。
【００４５】
個別電極１４と接続線１７とは、積層方向から見て、個別電極１４の液体加圧室２３ａの内側に位置している部位で接続されていることが重要である。このような構造にすることにより、積層方向から見て、個別電極１４が液体加圧室２３ａの内側に形成された部分ができる。すなわち、個別電極１４の周囲に非拘束部１６ｂができるため、液体吐出素子１５の変位を大きくできる。液体吐出素子１５の変位をより大きくするためには、個別電極１４が液体加圧室２３ａの内側に位置する割合を増やすことが好ましい。具体的には、個別電極１４の外辺の長さに対する、非拘束部１６ｂに接する個別電極１４の外辺の長さの割合を大きくすればよい。その割合は７５％以上であるのが好ましく、特に、個別電極１４全てが液体加圧室２３ａの内部に形成されていることが好ましい。
【００４６】
また、液体加圧室２３ａおよび個別電極１４はそれぞれ、積層方向から見て略平行四辺形であるとともに、接続線１７が接続された部位の個別電極１４の外辺と液体加圧室２３ａの外辺とが平行であることが好ましい。これにより、液体吐出素子１５を平面上に稠密に面積効率が高く配置でき、例えば、液体吐出ヘッドを、インクジェットプリンタのヘッドとして使用すると、液体吐出素子１５間の距離が短いため緻密な画像を記録できる。この際、給電パッド１８、液体加圧室２３ａの外辺から液体加圧室２３ａ１個分の寸法程度の範囲内の近傍に形成し、接続線１７の長さを短くすることが、面積効率を高める点、および、接続線１７の接続信頼性を高める点で好ましい。
【００４７】
また、前述したように、個別電極１４の外辺のうち非活性部でありかつ非拘束部であるの圧電セラミック層１３に接している個別電極１４の外辺の割合は７５％であるのが好ましい。すなわち、個別電極１４の外辺４辺のうち３辺は、液体吐出素子２３ａの内側に形成されていることが好ましい。
【００４８】
さらに複数の接続線１７は、個別電極１４の１つの頂点を形成する２つの辺に分けて接続することが好ましい。これにより、接続線１７が液体加圧室２３ａの一辺当たりの圧電歪が発生する有効面積が低減させる事が可能となり、その結果，隣接する液体加圧室２３ａとのクロストークが大きくなることが抑制できる。
【００４９】
ここで、さらに接続線１７の形状について図１（ａ）の部分拡大上面図である図２（ａ）と、本発明の別の実施形態の液体吐出ヘッドの部分拡大上面図である図２（ｂ）を用いて説明する。
【００５０】
図２（ａ）では、個別電極１４と給電パッド１８が２本の接続線１７で接続されており、個別電極１６の直下には液体加圧室２３ａおよび液体吐出口２８がある。そして、液体加圧室２３ａの内側において、液体加圧室２３ａの外辺と接続線８７の外辺の成す角度１７Ａおよび１７Ｂは直角となっている。
【００５１】
図２（ｂ）では、個別電極９４と給電パッド９８が２本の接続線９７で接続されており、個別電極９６の直下には液体加圧室９３ａおよび液体吐出口９４がある。図示しないがこの液体吐出ヘッドは図１（ａ）と同じ断面構造を有している。そして、液体加圧室９４ａの内側において、液体加圧室９４ａの外辺と接続線９７の外辺の成す角度９７Ａは約１５０度、液体加圧室９４ａの外辺と接続線９７の外辺の成す角度９７Ｂは約３０度となっている。
【００５２】
図２（ｂ）で示した液体吐出ヘッドでは、接続線９７が複数になっているため、圧電セラミック層に加わる応力が低減できるものの、液体加圧室９４ａの外辺と接続線９７の外辺の成す角度９７Ｂは約３０度と鋭角になっているため、一辺は流路部材により接合されて固定された拘束部１６ａであり、他辺は分極する際に接続線９７と共通電極（図示せず）とに挟まれた圧電セラミック層が変形した際に、変形の応力が鋭角部に集中するため、圧電セラミック層のクラックの発生が比較的起こりやすい。
【００５３】
これに対して、図２（ａ）では、液体加圧室２３ａの外辺と接続線１７の外辺の成す角度１７Ａおよび１７Ｂは直角となっているため、分極時の応力が集中しにくく、より圧電セラミック層１３のクラックの発生を抑制できる。
【００５４】
図３（ａ）〜（ｉ）に本発明の他の実施形態の液体吐出ヘッドを示す。図３（ａ）〜（ｉ）はそれぞれ、１つの液体吐出素子の個別電極、接続線、給電パッド、液体加圧室および液体吐出口を示した部分上面図である。図示しないが、それぞれの液体吐出ヘッドは図１（ａ）に示したものと同じ断面構造を有している。
【００５５】
図３（ａ）〜（ｉ）の液体吐出ヘッドでは、いずれも、積層方向から見て、個別電極と接続線とは液体加圧室の内側の部位で接続されている。これにより、個別電極と液体加圧室の外辺の間に非拘束部があるため各液体吐出素子の変位を大きくできる。また、個別電極および液体加圧室は相似な平行略平行四辺形であるとともに、対応する辺が平行でになっているので、液体吐出素子を面積効率よく平面に配置して液体吐出素子間の距離を短くできる。
【００５６】
図３（ａ）〜（ｈ）の液体吐出ヘッドでは、いずれも、積層方向から見て、個別電極が液体加圧室の内側に形成されている。これにより、各液体吐出素子の変位をより大きくできる
図（ａ）では接続線が３本となっており、より接続線の線幅を細くでき、分極時の応力をより低減できる。
【００５７】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｅ）、（ｈ）、（ｉ）では、個別電極および液体加圧室はそれぞれ一方の対向する角が鋭角の略平行四辺形であり、給電パッドを略平行四辺形の重心から略平行四辺形の鋭角の頂点の方向に延長した方向に配置することにより、略平行四辺形の抵抗する鋭角の頂点を結ぶ線と垂直な方向に液体吐出素子をより短い距離で形成することができる。
【００５８】
図３（ｃ）、（ｅ）〜（ｆ）、（ｉ）では、積層方向から見て、液体加圧室の内側において、液体加圧室の外辺と接続線の両外辺の成す角度がいずれも直角または鈍角となっているため、より応力を小さくできる。図３（ｈ）では、積層方向から見て、液体加圧室の内側において、液体加圧室の外辺と接続線の外辺の成す角度が鈍角となっているため、応力の集中は緩和されるが、両方の角度を鈍角にするため非拘束部の接続線の線幅が太くなっているため、発生する応力自体は増えている。総合的に非拘束部に加わる応力を低くするためには、接続線の線幅を細くし、液体加圧室の外辺と接続線の両外辺の成す角度を両方とも直角にすることがより好ましい。
【００５９】
次に、上記で説明した圧電アクチュエータ１６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、ロールコーター等の周知のテープ成形方法を採用することができる。
【００６０】
ついで、作製したグリーンシートのうち、焼成後に振動板１１となるグリーンシートの主面に、焼成後に共通電極１２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。
【００６１】
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１０〜１００ＭＰａ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、上記積層体の両面もしくは片面に配置した状態で、加圧密着を行なうのが好ましい。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。
【００６２】
ついで、この積層成形体を所定の形状に切断した後、５００℃程度で脱バインダーを行ない、９００〜１１００℃程度で焼成して、共通電極１２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。
【００６３】
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１４となる金属パターンを形成し、６００〜８５０℃程度で熱処理する。さらにその後に個別電極１４に位置合せし給電パッドとなる金属パターンを形成し、５００〜８００℃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１６を得ることができる。なお、個別電極１４と給電パッド１８を同時に焼結させる場合は、同温度で焼結する共通の電極材料を選定しても良い。
【００６４】
図１（ａ）に示すように、変位素子１５と液体加圧室２３ａとの位置がそれぞれ揃うように、すなわち共通電極１２および個別電極１４が、液体加圧室２３ａの真上に配置するように、圧電アクチュエータ１６と流路部材２３を接合する。具体的には、この液体吐出ヘッドは、複数の液体加圧室２３ａが並設され、各液体加圧室２３ａを仕切る壁として隔壁１６ｂを形成した流路部材２３上に上記で説明した分極前の圧電アクチュエータ１６が接合されている。接合は、振動板１１が液体加圧室２３ａの空間と当接するようにして行ない、より具体的には、変位素子１５の各個別電極１４と、各液体加圧室２３ａとが対応するように接合される。
【００６５】
ここで、圧電アクチュエータ１６を流路部材２３の表面に接合した時に、圧電アクチュエータ１６に圧縮応力が加わり、その状態で圧電アクチュエータ１６の圧電セラミック層１３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１６に圧縮応力が加わり、その状態で圧電アクチュエータ１６の圧電セラミック層１３を分極するのがよい。
【００６６】
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１６や流路部材２３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１６と流路部材２３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１６に圧縮応力が加わる。
【００６７】
ここで、流路部材２３の熱膨張係数が、圧電アクチュエータ１６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１６を流路部材２３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１６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２３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１６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２３の熱膨張係数が、圧電アクチュエータ１６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１６および流路部材２３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。
【００６８】
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１６が流路部材２３に固定されるとともに、圧電アクチュエータ１６に圧縮応力が加わった状態で、個別電極１４と共通電極１２の間に分極電圧を印加して圧電セラミック層１３を分極して、本実施形態にかかる液体吐出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１６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なえばよい。
【００６９】
そして、個別電極１４と共通電極１２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１５に対応する液体加圧室２３ａ内のインクが加圧され、圧電アクチュエータ１６を振動させることにより、液体加圧室２３ａ内のインクが流路部材２３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。この液体吐出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、高速印刷に好適な液体吐出ヘッドを提供することができる。また、本発明の液体吐出ヘッドをプリンタに搭載することによって、例えば上記の液体吐出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。
【００７０】
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１１および圧電セラミック層１３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１１と圧電セラミック層１３の少なくとも一方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１６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。
【００７１】
また、振動板１１は圧電セラミック層１３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１１および圧電セラミック層１３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１６にクラックが発生しにくく、個別電極１４と給電パッド１８との間の断線の発生が低減できる範囲内で、その組成が異なっていてもよい。
【００７２】
圧電アクチュエータ１６を流路部材２３の表面に接合した後、圧電アクチュエータ１６に圧縮応力が加わった状態とする方法として、流路部材２３の熱膨張係数を圧電アクチュエータ１６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。
【００７３】
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。
【実施例】
【００７４】
まず、原料として、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。このスラリーをロールコーター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、圧電セラミック層用および振動板用の両方に使用した。
【００７５】
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５μｍで印刷し、その後乾燥を行なって共通電極１２を形成した。さらに、共通電極１２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。
【００７６】
この積層体を大気中５００℃で脱脂処理した後、１０００℃で酸素９９％以上の雰囲気中に５時間保持して焼結し、圧電セラミック層１３と振動板１１と共通電極１３とからなる積層焼結体を得た。次に、圧電セラミック層１３の表面に図１（ｂ）（拡大図は図２（ａ））に示す個別電極１４おおよび接続線１７を形成した。接続性１７の線幅は５０μｍとした。個別電極１４および接続線１７は、スクリーン印刷によりＡｕペーストを塗布した後、これを７００℃の大気中で焼付けて形成した次に接続線１７に接続するように給電パッド１８を位置合せし、スクリーン印刷でＡｇペーストを塗布した。これを６００℃の大気中で焼付けを行った。最後に、給電パッド１８にリード線を半田で接続して圧電アクチュエータ１６を得た。
【００７７】
上記で得た圧電アクチュエータ１６を、流路部材２３に接合した。流路部材２３は、エッチングで微細な溝や孔を形成したステンレスの薄板を接合して作成したものであり、隔壁２３ｂで仕切られた複数の液体加圧室２３ａと液体加圧室２３ａに連通した複数の液体吐出孔２８を有している。接合は、液体加圧室２３ａの直上に変位素子１５が配置するように行ない、液体吐出ヘッドを得た。なお、ステンレスの薄板同士および圧電アクチュエータ１６と流路部材２３との接合は、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１６に圧縮応力が加わった状態となる。
【００７８】
流路部材２３との接合後、圧電アクチュエータ１６に圧縮応力が加わった状態（流路部材２３の熱膨張係数が、圧電アクチュエータ１６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１３の分極を行なった。
【００７９】
上記実施例と同様にして、個別電極、接続線および給電パッドの形状が図２（ｂ）および図４（ｂ）で示した液体吐出ヘッドを作製し、分極を行なった。なお、図２（ｂ）で示した液体吐出ヘッドの接続線９７の線幅５０ｍμｍ、図４（ｂ）で示した液体吐出ヘッドの接続線１１７の線幅は１００μｍとした。
【００８０】
各液体吐出ヘッドの液体加圧室１００個の直上の圧電セラミック層および振動板のクラックの発生の有無を１００倍の光学顕微鏡により観察して評価した。
【００８１】
クラックの発生は個別電極、接続線および給電パッドの形状が図２（ａ）で示した液体吐出ヘッドでは０個、図２（ｂ）で示した液体吐出ヘッドでは２個、図４（ａ）で示した液体吐出ヘッドでは９個であった。
【００８２】
本発明の範囲内の図２（ａ）および図２（ｂ）で示した液体吐出ヘッドでは、接続線を複数することにより、各接続線の線幅を細くできるため、分極時に接続線周囲に発生する応力を少なくすることができ、クラックの発生を少なくすることができた。
【００８３】
特に、図２（ａ）で示した液体吐出ヘッドでは、積層方向から見て、液体加圧室の外辺と接続線の外辺の成す角度を鋭角ではなくすことにより、液体加圧室の外辺と接続線の外辺の成す角の部分の圧電セラミック層および振動板に加わる応力を低減できるためクラックの発生がなくなった。
【００８４】
これに対して、本発明の範囲外の図４（ｂ）で示した液体吐出ヘッドでは、接続信頼性を確保するため、線幅が広くなり、クラックの発生が多くなった。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドを示す部分縦断面図であり、（ｂ）は、その部分上面図である。
【図２】（ａ）は、図１の液体吐出ヘッドの部分拡大上面図であり、（ｂ）は本発明の他の実施形態の液体吐出ヘッドを示す部分拡大上面図である。
【図３】（ａ）〜（ｈ）は、本発明の他の実施形態の液体吐出ヘッドを示す部分上面図である。
【図４】（ａ）は、従来の液体吐出ヘッドを示す部分縦断面図であり、（ｂ）は、その部分上面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１１、１１１・・・振動板
１２、１１２・・・共通電極
１３、１１３・・・圧電セラミック層
１４、９６、１１４・・・個別電極
１５、１１５・・・変位素子
１６、１１６・・・圧電アクチュエータ
１６ａ、１１６ａ・・・拘束部
１６ｂ、１１６ｂ・・・拘束部
１７、９７、１１７・・・接続線
１７Ａ、９７Ａ・・・液体加圧室の外辺と接続線の外辺の成す角度
１７Ｂ、９７Ｂ・・・液体加圧室の外辺と接続線の外辺の成す角度
１８、９８、１１８・・・給電パッド
２３、１１３・・・流路部材
２３ａ、９３ａ、１２３ａ・・・液体加圧室
２３ｂ、１２３ｂ・・・隔壁
２８、９４、１２８・・・液体吐出孔
Ｔ１・・・圧電アクチュエータの厚み
Ｔ２・・・圧電セラミック層の厚み
Ｔ３・・・振動板の厚み
【図１】
2008290409.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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