(57)【要約】【課題】電極間のマイグレーションの発生を抑制して、長期信頼性を向上できるとともに、安価なアクチュエータ及び印刷ヘッドを提供する。【解決手段】セラミック基板２の主面に、一対の電極５、６により圧電層４を挟持してなる変位素子７が複数設けられたアクチュエータ１１において、圧電層４の厚みｔが５０μｍ以下であるとともに、圧電層４が耐還元性圧電磁器からなり、電極５、６が卑金属を主成分とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の主面に、一対の電極により圧電層を挟持してなる変位素子が複数設けられたアクチュエータにおいて、前記圧電層の厚みが５０μｍ以下であるとともに、前記圧電層が耐還元性圧電磁器からなり、前記電極が卑金属を主成分とすることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
複数の変位素子間の距離が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
厚みが１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
電極はＣｕを主成分とすることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項５】
流路部材と、該流路部材の上に設けられた請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュエータとを具備し、該アクチュエータを構成する変位素子の変位によって前記流路部材に設けられたインク流路に充填されたインクを吐出させることを特徴とする印刷ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細なインク吐出孔からインク滴を吐出して文字や画像を印刷する各種プリンタや記録計、ファクシミリ、あるいは捺染分野や窯業分野で文様形成等に用いられる印刷機等の記録装置に搭載されるインクジェット印刷ヘッド等に好適に使用されるアクチュエータ及び印刷ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、マルチメディアの浸透に伴い、インパクト方式の記録装置に代わって、インクジェット方式や熱転写方式を利用したノンインパクト方式の記録装置が開発され、その利用範囲が各種産業分野および一般家庭分野において広がりつつある。
【０００３】
かかるノンインパクト方式の記録装置のなかでも、インクジェット方式を利用した記録装置は、多階調化やカラー化が容易で、ランニングコストが低いことから将来性が注目されている。
【０００４】
インクジェット方式を利用した印刷ヘッドは、例えば図３（ａ）に示すように、複数の溝がインク流路２３ａとして並設され、各インク流路２３ａを仕切る壁として隔壁２３ｂが形成された流路部材２３の上に、アクチュエータが設けられた構造を有する。
【０００５】
即ち、圧電層２４の一方の主面に共通電極２５を形成するとともに、他方の主面に複数の個別電極２６を形成した複数の変位素子２７を有するアクチュエータが、流路部材２３の開口部であるインク流路２３ａの直上に個別電極２６を配置するように、アクチュエータと流路部材２３とを接着した構造となっている。
【０００６】
そして、このような印刷ヘッドでは、共通電極２５と個別電極２６との間に電圧を印加して変位素子２７を振動させることによりインク流路２３ａ内のインクを加圧し、流路部材２３の底面に開口させたインク吐出孔２８よりインク滴を吐出させ、印刷することができる。
【０００７】
また、このような印刷ヘッドでは、図３（ｂ）に示すように、圧電層２４上に個別電極２６を等ピッチで多数並設し、変位素子２７を多数設けた印刷ヘッドを構成するとともに、各変位素子２７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及び高精度化に寄与することができる。
【０００８】
ところが、近年、インクジェットプリンタは、高速化高精度化が追求されており、その結果、インク吐出に直接関係する変位素子２７、特に圧電層２４に対して、小型薄層化と高精度な圧電特性が要求されている。
【０００９】
一般に、圧電材料は大気中等の酸素雰囲気で焼成されるため、酸素雰囲気における焼成でも酸化しない電極材料、例えば、Ａｇ、もしくはＡｇ−Ｐｄからなる電極材料が用いられていた。一方、共通電極としてＡｇ電極材料を、個別電極としてＣｕ、Ａｇからなる電極材料を用いた印刷ヘッドもあった（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−１５１７３９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、変位素子の小型薄層化を図るため、圧電層の薄層化を図ると、従来一般的に用いられていたＡｇ、Ａｇ−Ｐｄからなる電極では、共通電極と個別電極間でＡｇのマイグレーション発生の虞が危惧され、共通電極と個別電極間の導通が危惧されるため、一定厚み以上とせざるを得なかった。
【００１２】
これは、一般に圧電層が一定の厚みばらつきや、気孔（ボイド）を有することも一つの原因であったが、特に、セラミック基板の主面に、一対の電極が圧電層を挟持してなる変位素子が複数設けられる場合には、変位素子の駆動力を高めるため、電極により圧電層に印加される電圧は高くならざるを得ないことも原因であった。
【００１３】
また、印刷ヘッドの小型化のため、変位素子を近づけて形成した場合でも、変位素子間におけるマイグレーション発生の虞が危惧され、一定間隔以上離間せざるを得なかった。
【００１４】
さらに、上記した、セラミック基板の主面に一対の電極により圧電層を挟持してなる変位素子が複数設けられる場合には、変位素子を近づければ近づける程、変位を大きくするため圧電層に印加される電圧は高くなり、変位素子間の間隔が短くなることと相まって、マイグレーション発生の虞が高くなり、長期信頼性に欠けるという問題があった。
【００１５】
また、従来から一般に用いられているＡｇ、Ａｇ−Ｐｄからなる電極材料は高価であり、近年のコスト低減に対応するには、安価な電極材料とする必要があった。
【００１６】
このような問題は、上記した特許文献１のように、一方の電極にＡｇからなる電極材料を用いた場合も同様であった。
【００１７】
本発明の目的は、電極間のマイグレーションの発生を抑制して、長期信頼性を向上できるとともに、安価なアクチュエータ及び印刷ヘッドを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のアクチュエータは、セラミック基板の主面に、一対の電極により圧電層を挟持してなる変位素子が複数設けられたアクチュエータにおいて、前記圧電層の厚みが５０μｍ以下であるとともに、前記圧電層が耐還元性圧電磁器からなり、前記電極が卑金属を主成分とすることを特徴とする。
【００１９】
このようなアクチュエータでは、圧電層が耐還元性圧電磁器からなるため、卑金属からなる電極が酸化しない還元雰囲気で焼成したとしても、圧電層の圧電特性劣化を抑制できる。
【００２０】
また、電極が卑金属を主成分とする電極材料から構成されるため、圧電層が５０μｍ以下の厚みで、高電界が印加されたとしても、さらに圧電層に一定の厚みバラツキが発生したとしても、圧電層を挟持する電極間のマイグレーションの発生を抑制でき、長期信頼性を向上できる。
【００２１】
さらに、卑金属材料は、従来から用いられているＡｇ、Ａｇ−Ｐｄからなる電極材料よりも安価であるため、アクチュエータを安価に製造できる。
【００２２】
本発明のアクチュエータは、複数の変位素子間の距離が５０μｍ以下であることを特徴とする。このように変位素子間の距離を５０μｍ以下とした場合でも、電極が卑金属を主成分とする電極材料から構成されるため、マイグレーションの発生を抑制でき、長期信頼性を向上できる。
【００２３】
また、本発明のアクチュエータは厚みが１００μｍ以下であることを特徴とする。このようなアクチュエータでは厚みが薄くなるため、アクチュエータに要求される駆動力が小さくなり、圧電層に印加される電界も小さくなり、さらに電極間のマイグレーションを抑制できる。
【００２４】
さらに本発明では、電極はＣｕを主成分とすることを特徴とする。Ｃｕは卑金属の中でも酸化し難いため、酸素分圧が少々高い還元雰囲気中で焼成でき、圧電層の特性劣化を最小限に抑制できる。
【００２５】
本発明の印刷ヘッドは、流路部材と、該流路部材の上に設けられた上記アクチュエータとを具備し、該アクチュエータを構成する変位素子の変位によって前記流路部材に設けられたインク流路に充填されたインクを吐出させることを特徴とする。
【００２６】
このような印刷ヘッドでは、長期信頼性が高く、安価なアクチュエータを用いるため、印刷ヘッドとしても長期信頼性が高く、安価となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明のアクチュエータを、インクジェット印刷ヘッドに採用したアクチュエータに用いる場合を例として説明する。
【００２８】
本発明のアクチュエータは、図１に示すように、セラミック層２ａを４層積層してなるセラミック基板２の表面に、圧電層４が共通電極５と個別電極６とで挟持されるように設けられた変位素子７を複数形成してなるものであり、アクチュエータ全体の厚みがＴ、各セラミック層２ａ及び圧電層４の厚みがｔで示される。
【００２９】
アクチュエータの総厚みＴは、大きな変位を得るために、１００μｍ以下であることが望ましく、特に８０μｍ以下、更には６０μｍ以下であることが好ましい。また、セラミック基板２及び圧電層４を積層体とするのは、セラミック基板２の内部に電気回路を組み込む（配線層を形成する）ことが容易となるためである。
【００３０】
セラミック層２ａの各層及び圧電層４の厚みｔを５０μｍ以下にすることが、小型薄層化という点から重要であり、特に３５μｍ以下、更には２０μｍ以下であることが好ましい。特に、ｔを２０μｍ以下、Ｔを６０μｍ以下とすることがアクチュエータとしての優れた特性を得るために好適である。
【００３１】
なお、アクチュエータの厚みＴは、変位を大きくする観点からは小さいほど好ましいが、厚みＴが小さくなると機械的強度及び耐電圧が低下するため、アクチュエータの全体厚みＴの下限値は、取扱い中や作動中に破壊しない程度の機械的強度を有し、印加する電圧に耐えるため、１０μｍ、特に１５μｍ、更には２０μｍであることが好ましい。
【００３２】
また、ｔの下限値も、取扱い中や作動中に破壊しない程度の機械的強度及び耐電圧が必要で、具体的には５μｍ、特に７μｍであることが好ましい。そして、ｔを５〜１５μｍの範囲、Ｔを２０〜６０μｍの範囲にして組み合わせることが、変位量のバラツキ及び各層及び全体の厚みバラツキをさらに向上し、安定した変位を示すアクチュエータを得ることが可能となるために、より望ましい。
【００３３】
また、変位素子７は、セラミック基板２の表面に多数形成され、しかも２次元的に規則正しく配列しており、これらの変位素子７の間隔が５０μｍ以下であることが精彩度、精度を高めるために好ましい。
【００３４】
変位素子７を構成する圧電層４は、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、ペロブスカイト結晶構造型の材料が好適に用いられるが、電極材料として使用される卑金属が酸化されない程度の温度、還元雰囲気で焼成されても、還元しない耐還元性を有する必要がある。
【００３５】
圧電層４は、特にＰｂＺｒＴｉＯ３系化合物（ＰＺＴ）が大きな変位を発生させる点で好ましい。なお、圧電層４は、１層であっても、複数層から構成されていても良い。
【００３６】
個別電極６、共通電極５の材質としては、卑金属からなるものならば良く、例えばＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉなどを用いることができ、特に、酸素分圧が少々高い還元雰囲気でも酸化されにくいという点から、Ｃｕからなることが望ましい。電極材料として、圧電層４との接合強度を向上させるという点から、卑金属に圧電層４を構成する圧電材料を添加したものであっても良い。電極の厚みとしては、導電性を有し且つ変位を妨げない程度であるのが良く、０．５〜５μｍ、特に１〜２μｍが好ましい。
【００３７】
次に、本発明のアクチュエータの製造方法を説明する。先ず、圧電セラミック粉体を準備する。この圧電セラミック粉体の平均粒径は１μｍ以下であることが望ましく、特に０．７μｍ以下、更には０．５μｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
圧電セラミック粉体の平均粒径を１μｍ以下にすることにより、ボイド率を低減して圧電層の厚みを薄くした場合の電極のマイグレーションを抑制でき、焼結時の活性度を高め、その結果、焼結温度を低下することができ、Ｃｕが焼結する還元雰囲気の温度における圧電磁器の耐還元性を高めることができる。特に鉛を含む圧電セラミックスの場合には、焼結温度が低下すると、組成の面内バラツキを低減し、変位素子の変位バラツキを小さくすることができる。
【００３９】
このような原料粉末と有機バインダ成分を混合し、テープ成形用スラリーを作製する（混合工程）。次いで、混合工程で得られたテープ成形用スラリーを用いて、ロールコーター法、スリットコーター法、ドクターブレード法等の一般的なテープ成形法によりグリーンシートを作製する（成形工程）。
【００４０】
次に、成形工程で得られたグリーンシートを加圧する（加圧工程）。加圧法として公知の手法を採用することができるが、均一な厚みにすることが容易である点で、加圧には特にロール加圧法、平面加圧法、静水圧加圧法等を用いることができる。このように、テープ成形後にグリーンシートの加圧処理を行うことで、テープの厚みバラツキを低減することができる。これは、乾燥後のテープは、スラリー溶媒が抜けた空隙が存在し、その空隙の大小の差によりテープの厚みがばらつく原因となる。この空隙を加圧により潰す事で、テープは均質となり、厚みバラツキも小さくなる。
【００４１】
加圧する圧力は、材料組成、有機バインダ量、グリーンシート厚み等によって異なるが、グリーンシートの厚みバラツキを低減し、厚みを均一化するとともに、生密度を高めるため、１０〜１００ＭＰａ、特に２０〜５０ＭＰａ、更には３０〜４０ＭＰａの圧力で加圧することが好ましい。
【００４２】
加圧を行う時の温度は、高すぎる場合、加圧による変形が大きくなり過ぎることがあり、バインダに適度の粘性を発現させ、気孔を除去するためには、用いるバインダにもよるが、３００℃以下、特に２５０℃以下、更には２００℃以下、より好適には１５０℃以下であることが好ましい。また、下限値は、０℃、特に２０℃、更には３５℃、より好適には５０℃である。
【００４３】
なお、加圧を行う型の面は、離型性を向上させるための表面処理を行ったり、テープ面に離型シートを配置して加圧を行っても良い。更に、面内の加圧力を均一にする為の加圧調圧機構も適宜用いることができる。
【００４４】
このような加圧処理は、気孔を除去する効果があるが、さらに生密度を高める効果もあり、セラミック粒子間の接触面積を高めることができ、その結果、焼結速度を向上し、微細粒子であることと相まって、焼結温度を下げることができ、特に鉛を含む圧電セラミックスに関しては、焼結時の鉛の蒸発を抑え、組成バラツキを抑制し、その結果変位バラツキも抑制できる。
【００４５】
加圧工程によって得られた各グリーンシートの厚みバラツキを１５％以下、特に１０％以下にすることが、積層体の厚みバラツキを低減すると共に、焼結体の厚みバラツキを小さくすることが容易となる。
【００４６】
次に、加圧工程で得られたグリーンシートの一部に電極を形成する。即ち、共通電極及び個別電極を、卑金属を含有する導電性ペーストを印刷法等の公知の手法で塗布して形成する。
【００４７】
得られたグリーンシート（電極付、ビアホール付、電極無等）を所望の構成で積層し、密着させて積層成形体を得る（積層工程）。なお、密着を行う手法としては、接着成分の含まれた密着液使用による方法、加熱によりグリーンシート中の有機バインダ成分に接着性を持たせて密着する方法、加圧力だけで密着させる方法等を例示できる。
【００４８】
積層工程で得られた積層成形体は、所望により脱脂処理により積層成形体中の有機成分の除去を行った後、還元雰囲気中において、９００〜１０００℃において焼成し、図１に示したようなアクチュエータを得る（焼成工程）。
【００４９】
このような工程を具備する製造方法を採用することにより、組成バラツキが抑制され、且つ気孔を低減することができるため、面内の変位バラツキを低減した厚み１００μｍ以下の薄層の焼結体からなるアクチュエータを提供できる。
【００５０】
以上のようなアクチュエータでは、圧電層が耐還元性圧電磁器からなるため、卑金属からなる電極が酸化しない還元雰囲気で焼成したとしても、圧電層の圧電特性劣化を抑制でき、電極が卑金属を主成分とする電極材料から構成されるため、圧電層が５０μｍ以下の厚みで、高電界が印加されたとしても、さらに圧電層に一定の厚みバラツキが発生したとしても、圧電層を挟持する電極間のマイグレーションの発生を抑制でき、長期信頼性を向上でき、さらに、卑金属材料は、従来から用いられているＡｇ、Ａｇ−Ｐｄからなる電極材料よりも安価であるため、アクチュエータを安価に製造できる。
【００５１】
図２は、本発明の印刷ヘッドを示すもので、複数の溝からなるインク流路１３ａと、インク流路１３ａを分離するための隔壁１３ｂとを具備する流路部材１３の上に、本発明のアクチュエータ１１が設けられた構成となっている。このアクチュエータ１１は、上記したように、セラミック層１２ａを４層積層してなるセラミック基板１２の上に、インク流路１３ａの直上に個別電極１６が配置するように配置されている。尚、図２において、符号１４は圧電層、１５は共通電極、１７は変位素子、１８はインク突出孔を示している。
【００５２】
このような印刷ヘッドでは、共通電極１５と個別電極１６との間に電圧を印加して変位素子１７を振動させることによりインク流路１３ａ内のインクを加圧し、流路部材１３の底面に開口させたインク吐出孔１８よりインク滴を吐出させ、印刷することができる。
【００５３】
【実施例】
先ず、粒径（Ｄ５０：粉体の平均粒径）が０．５μｍのＰｂ０．９６Ｂａ０．０４Ｙｂ０．００５Ｗ０．００５Ｚｒ０．４９Ｔｉ０．５０Ｏ３で表される圧電セラミック粉体と、アクリル系の有機高分子から成るバインダーと、可塑剤とを混合してスラリーを作製した。
【００５４】
このスラリーを用いてロールコーター法にて厚みが表１に示す厚みのグリーンシートを成形した。
【００５５】
得られたグリーンシートをロール加圧法により１００℃において４０ＭＰａの圧力で加圧し、得られたグリーンシートに、Ｃｕ粉末にバインダー、可塑剤を添加してなる導電性ペーストを５μｍの厚みで印刷法にて塗布した。導電性ペーストを塗布していないグリーンシートを３層積層し、この上面に、共通電極の導電膜を形成したグリーンシート、個別電極の導電膜を形成したグリーンシートを順次積層し、１５ＭＰａの圧力で加圧密着を行い積層成形体を作製した。
【００５６】
この後、得られた積層成形体を窒素雰囲気中９００℃で５時間焼成し、図１に示したようなアクチュエータを作製した。この後、共通電極５と個別電極６間に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行った。尚、変位素子間の距離Ｌを、表１に示すように変化させた。また、アクチュエータ全体の厚みＴは、圧電層の厚みｔ、及びセラミック層の厚みｔにより変化させた。
【００５７】
得られたアクチュエータの断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した写真から圧電層の厚みｔ、アクチュエータ全体の厚みＴを測定した。
【００５８】
また、アクチュエータの面内バラツキを、アクチュエータの任意の２０箇所で厚みを測定し、２０箇所の厚み平均値を算出し、最大値又は最小値の平均からの差として算出し、大きい方をバラツキとして表１に記載した。
【００５９】
さらに、アクチュエータのｄ３１は、インピーダンスアナライザーを用いた共振法で１０箇所測定し、その平均値を算出するとともに、各値と平均値の最大の値を平均値で除してｄ３１のバラツキとして表１に記載した。
【００６０】
アクチュエータの共通電極５と個別電極６間に２０Ｖの直流電圧を印加した結果、積層方向に平均７０ｎｍの変位量が得られた。さらに、このアクチュエータに室温で０〜＋２０Ｖの交流電圧を１０ＫＨｚの周波数にて印加して１×１０９サイクルまで駆動した際の変位量を測定するとともに、外観を観察し、その結果を表１に記載した。
【００６１】
一方、比較例として、加圧を行うことなくロールコーターでグリーンシートを作製し、このグリーンシートにＡｇ−Ｐｄからなる導電性ペーストを塗布したものを用いて、大気中で１１００℃で５時間焼成し、圧電層の厚みを２０μｍ、１００μｍとしたアクチュエータを作製した。この比較例についても、２０Ｖの直流電圧を印加した結果、積層方向に平均７０ｎｍの変位量が得られた。またこの比較例についても上記と同様の評価を行い、表１の試料Ｎｏ．１０、１１に記載した。
【００６２】
【表１】
2004152911.tif 000003
【００６３】
この表１から、圧電層の厚みが５０μｍ以下で、電極材料としてＣｕを用いた本発明の試料では、１×１０９サイクルまで駆動しても変位量は初期と殆ど変わらず、マイグレーションもないことが判る。
【００６４】
一方、比較例の試料では、圧電層の厚みが１００μｍの場合（試料Ｎｏ．１１）には１×１０９サイクルまで駆動したところ６８ｎｍの変位量が得られたものの、圧電層の厚みが５０μｍの場合（試料Ｎｏ．１０）には、変位量が６０ｎｍまで低下したため、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、電極間にマイグレーションが見られた。
【００６５】
【発明の効果】
本発明では、圧電層が耐還元性圧電磁器からなるため、卑金属からなる電極が酸化しない還元雰囲気で焼成したとしても、圧電層の圧電特性劣化を抑制でき、電極が卑金属を主成分とする電極材料から構成されるため、圧電層が５０μｍ以下の厚みで、高電界が印加されたとしても、さらに圧電層に一定の厚みバラツキが発生したとしても、圧電層を挟持する電極間のマイグレーションの発生を抑制でき、長期信頼性を向上できるとともに、卑金属材料は、従来から用いられているＡｇ、Ａｇ−Ｐｄからなる電極材料よりも安価であるため、アクチュエータを安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータを示す概略断面図である。
【図２】本発明のアクチュエータを採用したインクジェット印刷ヘッドの構造を示す概略断面図である。
【図３】従来のインクジェット印刷ヘッドを示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。
【符号の説明】
２、１２・・・セラミック基板
２ａ、１２ａ・・・セラミック層
４、１４・・・圧電層
５、１５・・・共通電極
６、１６・・・個別電極
７、１７・・・変位素子
１１・・・アクチュエータ
Ｔ・・・アクチュエータの全体厚み
ｔ・・・セラミック層及び圧電層の厚み
【図１】
2004152911.tif 000004
【図２】
2004152911.tif 000005
【図３】
2004152911.tif 000006