(57)【要約】【課題】十分な変位量を示し、変位量のバラツキが少ないアクチュエータ及び印刷ヘッドを提供する。【課題を解決するための手段】基板２と、該基板２に複数の変位素子７が設けられるとともに、前記基板２に複数の拘束部８ａが接着層１ａを介して接着され、非拘束部８ｂで変位を誘起し、前記変位素子７が各々独立して作動するとともに、全体厚みＴが１００μｍ以下、ｄ定数が２００ｐｍ／Ｖ以上、前記接着層１ａの厚みｔが０．５〜５μｍであることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板に複数の変位素子が設けられるとともに、前記基板に複数の拘束部が接着層を介して接着され、非拘束部で変位を誘起し、前記変位素子が各々独立して作動するとともに、全体厚みが１００μｍ以下、ｄ定数が２００ｐｍ／Ｖ以上、前記接着層の厚みが０．５〜５μｍであることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記接着層に含まれる最大気孔径が１０μｍ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】
前記変位素子が、圧電層と、該圧電層を挟持する一対の電極からな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】
前記圧電層を構成する主成分が前記基板を構成する主成分と略同一であることを具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュエータを流路部材に接合してなる印刷ヘッドであって、複数のインク流路を有する前記流路部材の表面に、該インク流路の直上に前記アクチュエータを構成する変位素子が配置するように接合されてなり、前記変位素子の変位によって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、アクチュエータとそれを用いた文字や画像の印刷に用いるインクジェット記録装置等に搭載される印刷ヘッドに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、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、インクジェット型の記録装置の利用が急速に拡大している。
【０００３】
かかるインクジェット型の記録装置には、インクジェット記録用の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、インク流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流として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。
【０００４】
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は、例えば図３に示したように、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を形成した流路部材２３の上に、アクチュエータ２１が接着層２１ａを介して設けられている。
【０００５】
アクチュエータ２１は、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、複数の変位素子２７が設けられてな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２１と流路部材２３とを接着する。
【０００６】
そして、駆動回路より共通電極２５と個別電極２６との間に駆動電圧を印加して変位素子２７を振動させることにより、変位素子２７がインク流路２３ａの一部を構成するため、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る構造になっている。
【０００７】
このような構成においては、共通電極２５及び個別電極２６に駆動電圧を印加すると、圧電層２４が面方向ｄＸ方向に伸びるものの、インク流路２３ａの周囲に設けられた隔壁２３ｂと接合している圧電層２４の部位（拘束部）が拘束されているため、圧電層２４の拘束されない部位（非拘束部）が厚さ方向ｄＹ方向にたわんで、インク流路２３ａに圧力が加わり、インク流路２３ａに連通するインク吐出孔２８よりインク滴が吐出する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１５１７３９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アクチュエータ２１の厚みが１００μｍ以下の場合、焼成収縮時の残留応力による変形が生じるため、隔壁２３ｂによる拘束で生じる応力によって、変位素子２７の変位量が低減するという問題があった。
【００１０】
また、接着層２１ａを特定の厚みに制御していないため、隣接するインク流路２３ａに対応する変位素子２７Ｎが同時に変位を発生すると隔壁２３ｂによって拘束されているはずの圧電層２４の拘束された部位が十分な拘束力を呈せず、隣接する変位素子２７及び２７Ｎが干渉して変位のバラツキが大きくなるという問題があり、特に隔壁２３ｂの厚みが小さい場合に顕著であった。
【００１１】
従って、本発明は、十分な変位量を示し、変位のバラツキが少ないアクチュエータ及び印刷ヘッドを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、厚みが１００μｍ以下のアクチュエータの場合に、接着層の厚みとｄ定数とを制御することによって、隣接する変位素子の干渉を抑制し、変位バラツキを低減することができるとの新規な知見に基づくものであり、しかも、大きな変位量を得ることが可能となる。
【００１３】
即ち、本発明のアクチュエータは、基板と、該基板に複数の変位素子が設けられるとともに、前記基板に複数の拘束部が接着層を介して接着され、非拘束部で変位を誘起し、前記変位素子が各々独立して作動するとともに、全体厚みが１００μｍ以下、ｄ定数が２００ｐｍ／Ｖ以上、前記接着層の厚みが０．５〜５μｍであることを特徴とするものである。
【００１４】
特に、前記接着層に含まれる最大気孔径が１０μｍ以下であることが好ましい。これにより、各変位素子の変位バラツキ及び隣接する変位素子の干渉を防止することがさらに容易となる。
【００１５】
また、前記変位素子が、圧電層と、該圧電層を挟持する一対の電極からなることを具備することが好ましい。これにより、隣接する変位素子の干渉を防止することが容易になる。
【００１６】
さらに、前記圧電層を構成する主成分が前記基板を構成する主成分と略同一であることが好ましい。これにより、製造工程において同一プロセスで製造できるので量産性、コストの面で簡略化できる。
【００１７】
また、本発明の印刷ヘッドは、上記のアクチュエータを流路部材に接合してなる印刷ヘッドであって、複数のインク流路を有する前記流路部材の表面に、該インク流路の直上に前記アクチュエータを構成する変位素子が配置するように接合されてなり、前記変位素子の変位によってインクを吐出させることを特徴とするものである。これにより、インクの液適量及び吐出速度のバラツキを抑制することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、基板上に複数の変位素子を具備するアクチュエータに関し、特にインクジェットプリンタ等の記録ヘッドに好適に用いられるアクチュエータであって、その一例を、図を用いて説明する。
【００１９】
本発明のアクチュエータ１は、図１（ａ）に示したように、基板２が支持部材３に接合され、基板２と支持部材３とは接着層１ａを介して一体的に設けられている。また、基板２の表面には圧電層４を設け、基板２と圧電層４との間に共通電極５を形成するとともに、圧電層４の表面に個別電極６を設け、共通電極５と個別電極６とで圧電層４を挟持する。
【００２０】
個別電極６は、図１（ｂ）に示すように、圧電層４上に等間隔で多数並設し、変位素子７を多数設けることが好ましく、このような構造を有することで、印刷ヘッドに適応した場合に、各変位素子７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可能である。
【００２１】
個別電極６は、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続され、それぞれの個別電極６と共通電極５との間に電圧が印加されると、電圧が印加された共通電極５と個別電極６に挟持された部位の圧電層４が変位する。
【００２２】
基板２は、支持部材３の隔壁３ｂによって部分的に固定されているため、支持部材３と接合されている基板２の主面は、接合によって形成され、固定されている拘束部８ａと溝３ａの開口部に位置する非拘束部部８ｂとで構成され、非拘束部部８ｂで振動することができる。
【００２３】
変位素子７を構成する圧電層４は、ペロブスカイト型酸化物を主成分とし、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、Ｔｉを含有するものが良い。さらに、副成分としてＰｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３及びＰｂ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）Ｏ３とを固溶してなるものが好ましい。
【００２４】
例えば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスなどが使用されるが、これに限定するものではなく、圧電性を有するものであれば良い。この変位素子を構成するものとしては、圧電定数ｄ３１が高いものが望ましい。
【００２５】
特に、ペロブスカイト型酸化物の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変位を大きくするために望ましい。アルカリ土類元素としてはＢａ、Ｓｒ、Ｃａなどが有り、特にＢａ、Ｓｒが大きな変位を得られる点で好ましい。
【００２６】
具体的には、Ｐｂ１−ｘ―ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｒ１／３Ｓｂ２／３）ａ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）ｂＺｒ１−ａ−ｂ−ｃＴｉｃＯ３＋α質量％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）で表される組成圧電磁器組成物が望ましい。
【００２７】
本発明のアクチュエータ１の全体厚みＴは、大きな変位量による高性能化、小型化及び低消費電力化（低電圧化）の点で１００μｍ以下であることが重要である。下限値は、実用上の機械強度や耐電圧強度を有するために、特に５μｍ、更には１０μｍ、より好適には２０μｍであることが好ましい。また、上限値は、変位を大きくするため、特に８０μｍ、更には６０μｍ、より好適には４５μｍであることが好ましい。
【００２８】
また、基板２及び圧電層４は気孔率が１％以下、特に０．８％以下であることが好ましい。気孔率が１％より大きいとインクジェット印刷ヘッドとして用いる際、インクの染み込みによる、インク漏れの可能性があるので、好ましくない。また、磁器強度の面でも好ましくない。
【００２９】
共通電極５、個別電極６の材質としては、導電性を有するものならば何れでも良く、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金などが用いられる。また、電極５、６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必要があり、１〜５μｍのものが好ましい。
【００３０】
本発明によれば、アクチュエータ１の変位素子７のｄ定数が２００ｐｍ／Ｖ以上であることが重要である。ｄ定数が２００ｐｍ／Ｖ未満では、インクジェットとして吐出量が低下する。特に、吐出性能の安定化のため、ｄ定数は２２０ｐｍ／Ｖ以上、更には２５０ｐｍ／Ｖ以上であることが好ましい。
【００３１】
また、変位素子７が変形する際に拘束部８ａにおける変位素子の異常な変形を防止することが必要であり、そのために接着層１ａの厚みｔを０．５〜５μｍにすることが重要である。特に、隣接する変位素子同士の干渉を低減するため、接着層１ａの厚みｔの上限を４μｍ、更には３μｍ、より好適には２μｍ、最も好適には１μｍにすることが好ましい。
【００３２】
また、接着層１ａの内部に大きな気孔が存在すると気孔の存在する拘束部８ａで変位素子７の変位量が大きくなることがあり、隣接する変位素子７同士での干渉が大きくなることがあるため、それを防止するように、接着層１ａの内部の気孔の最大気孔径を１０μｍ以下、特に７μｍ以下、更には５μｍ以下にすることが好ましい。
【００３３】
なお、接着層１ａの厚みｔが薄い場合でも、接着層１ａが接合面の全面に渡って均一に形成され、しかも振動に耐えられる十分な接合強度を保持しているのが良いことは言うまでもない。
【００３４】
基板２は、単層であっても、積層されたセラミックスでも良いが、特に圧電層４と略同一の組成物、略同一形状の圧電層４からなることが好ましい。このように、基板２と圧電層４とが同一組成、同一形状である方が焼成時の収縮寸法を容易に制御でき、量産性を高め、コスト低減に寄与できる。
【００３５】
また、基板２の厚みは任意に設定でき、具体的には、基板２の厚みは、１０〜８０μｍ、特に１５〜７０μｍ、更には２０〜５０μｍであることが好ましい。これは、インクジェットの小型化のためである。
【００３６】
次に、図１に示すインクジェット記録ヘッド用のアクチュエータの製造方法について説明する。
【００３７】
先ず、ＰＺＴ等の圧電粉末原料を、公知の成形方法を用いて成形する。特に、ロールコーター法、スリットコーターなどの一般的なテープ成形法により、圧電セラミックスと有機組成物からなるテープ成形を行うのが均一な薄層磁器を得るのに好ましい。
【００３８】
得られたグリーンシート表面に電極を所望の部位に形成するため、導電性ペーストを印刷法等で塗布し、また、所望により、これらの電極と外部電子回路とを電気的に連結するビア電極を形成し、しかる後に、グリーンシートを所望の構成に積層して加圧密着を行って積層体を形成する。
【００３９】
この積層体の上下面に拘束シートを敷き、これらを同時に焼成し、得られた焼結体をサンドブラストや超音波洗浄等により、拘束シートの除去を行うことで、アクチュエータ基板を得ることができる。
【００４０】
得られた磁器表面に個別電極を形成し、その後支持部材を磁器に接着する。接着は、シリコン系樹脂等の室温接着やエポシキ系樹脂等の温度が８０〜１５０℃で行う高温接着等によって行うことができる。
【００４１】
接着を行う場合、接着層が厚くならないように、加圧することが好ましい。具体的には、金属加圧プレス機を行う。また、接着層を薄くする手段として、接着剤の粘性を調整し、流動性の高い状態で接着を行う。具体的には、粘性を１００〜２００ｐｓｉに設定することが好ましい。
【００４２】
また、接着層に気孔が残留しないように、接着を行う雰囲気を減圧状態にすることが好ましい。具体的には、１０ｋＰａ以下、特に１ｋＰａ以下、更には１００Ｐａ以下の真空度において接着を行うのが良い。なお、接着剤の粘性を低下させることも気孔の残留を防止するために効果的であり、接着剤及び接着法に合わせて、適宜減圧状態と粘性とを決定するのが良い。
【００４３】
さらに、接着強度を高めるため、接着前に接合面を洗浄し、特にエッチング処理を行って表面の酸化層や変質層を除去するのが好ましい。除去する量は、材料にもよるが、１０〜２０ｎｍ程度で良い。
【００４４】
このようにして作製したアクチュエータは、接着層の厚みを０．５〜５μｍ、アクチュエータの厚みを１００μｍ以下、ｄ定数を２００ｐｍ／Ｖ以上に制御でき、支持部材を接合しても十分な変位量を示し、変位量のバラツキの小さなアクチュエータを実現できる。
【００４５】
本発明の印刷ヘッドは、例えば図２に示したように、複数のインク流路１３ａを有する流路部材１３に上記のアクチュエータ１１を、接着層１１ａを介して接合したもので、インク流路１３ａの直上に変位素子１７が配置するように、即ち個別電極１６が配置するように構成し、アクチュエータ１１に設けられた共通電極１５と個別電極１６との間に電圧を印加し、圧電層１４を含む変位素子１７の変位によってインク吐出孔１８からインクを吐出させることができる。
【００４６】
なお、個別電極１６の上に、電極パッドを設け個別電極１６に電力を供給することができる。また、前記アクチュエータと支持部材の接合面の接着層１１ａの厚みｔが０．５〜５μｍであることが望ましい。
【００４７】
また、前記接着層１１ａに含まれる最大気孔径が１０μｍ以下であることが好ましい。これにより、各変位素子の変位バラツキ及び隣接する変位素子の干渉を防止することが可能となる。
【００４８】
このように構成された印刷ヘッドは、インクジェット型のプリンタに応用すると、高精度で高速印刷が可能なプリンタを実現することができ、特に複数の印刷ヘッドを並設させることにより、さらに高速印刷、高精度の印刷を可能にすることができる。
【００４９】
【実施例】
図１に示したアクチュエータを作成した。
【００５０】
まず、原料粉末として高純度のＰｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＢａＣＯ３、ＺｎＯ、ＳｒＣＯ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＴｅＯ２の各原料粉末を、焼結体がＰｂ１−ｘ―ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）ａ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）ｂＺｒ１−ａ−ｂ−ｃＴｉｃＯ３（ｘ＝０．０４、ｙ＝０．０２、ａ＝０．０７５、ｂ＝０．００５、ｃ＝０．４５）で表される組成となるように、所定量秤量し、さらに、この組成に対して過剰Ｐｂを添加した後、ボールミル等で２０時間湿式で混合し、次いで、この混合物を脱水、乾燥した後で、７００〜９００℃で３時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミル等で湿式粉砕する。
【００５１】
その後、この粉砕物に有機バインダー、水、分散剤と可塑剤とを混合し、スラリーを作製し、薄いグリーンシートを成形する為に一般的に用いられているロールコーター法により、厚み３０μｍのテープを成形した。次に、７０：３０のＡｇ−Ｐｄ電極ペーストを用いて、テープ上下面に厚み５μｍの個別電極、共通電極をそれぞれ印刷法にて形成した。次に、電極の形成されていないテープと駆動用の変位素子となる個別電極及び共通電極を上下面に形成したテープとを上下面に形成したテープを相対するように積層し、１２ＭＰａの圧力で加圧密着を行い積層体を得た。
【００５２】
最後にこの積層成形体を４００℃で脱脂した後を９９％Ｏ２雰囲気中で温度１１００℃５時間の焼成を行い、超音波洗浄にて拘束シートを除去し、アクチュエータ基板を得た。
【００５３】
得られたアクチュエータを切断し、その断面を研磨後、ＣＣＤを利用したキーエンス製マイクロスコープによって全体厚みＴ、接着層の厚みｔを測定した。また、気孔率は、焼結体を切断し、その断面を鏡面状態に加工した後、顕微鏡で観察し、所定の面積内にある気孔の面積を求めて算出した。
【００５４】
上記のアクチュエータを流路部材に接合して図２のインクジェット記録ヘッドを作製した。接着は、接着剤としてエポキシ系接着剤を用いて、温度１５０℃、加圧圧力１ＭＰａで行った。
【００５５】
また、流路部材を接着したアクチュエータのｄ３１をインピーダンスアナライザーによる共振法によって１０箇所で測定し、その平均値を算出した。
【００５６】
次に、インクジェット記録ヘッドに０〜２０Ｖの交流電界を周波数１０ＫＨｚにて印加し、レーザードップラー変位計にて１０箇所の変位素子の変位量を測定し、その平均値を変位量とした。また、変位のバラツキを、各変位量と平均値の差の最も大きな値を平均値で除し、百分率表示した。
【００５７】
さらに、一つの変位素子に４０Ｖの直流電圧を印加したとき、その素子（振動素子）の変位と電圧の印加されていない隣接する変位素子（隣接素子）の変位をドップラー変位計によって計測し、干渉の影響を調べた。結果を表１に示した。
【００５８】
【表１】
2004142350.tif 000003
【００５９】
本発明の試料Ｎｏ．１〜７、１０〜１５及び１７〜２３は、ｄ３１が２００ｐｍ／Ｖ以上、振動素子の変位（平均）が７０ｎｍ以上、振動素子の変位のバラツキが２．８％以下、隣接変位素子の変位が５ｎｍ以下であった。
【００６０】
一方、アクチュエータの全体厚みＴが１００μｍを越える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．８は、ｄ３１が１５０ｐｍ／Ｖと小さく、振動素子の変位も４８ｎｍと小さかった。
【００６１】
また、接着層の厚みｔが０．５μｍよりも小さい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．９及び接着層の厚みｔが５μｍよりも大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１６は、いずれも振動素子の変位のバラツキが１０％以上、隣接素子の変位が１２ｎｍ以上と大きかった。
【００６２】
【発明の効果】
本発明のアクチュエータは、厚みが１００μｍ以下のアクチュエータの場合、接着層の厚みとｄ定数とを制御したので、隣接する変位素子の干渉を防止し、アクチュエータの変位バラツキを抑制することができる。また、この干渉を、隔壁と基板厚みとの比を制御することによってより効果的に抑制できる。
【００６３】
また、本発明の印刷ヘッドは、上記アクチュエータを用いているため、インクの吐出バラツキを抑制した印刷ヘッドを得ることができ、プリンタに用いた場合は、高速印字、高品質画質のプリンタの実現に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータを示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。
【図２】本発明の印刷ヘッドを示す概略断面図である。
【図３】従来の印刷ヘッドを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、１１・・・アクチュエータ
１ａ、１１ａ・・・接着層
２、１２・・・基板
３・・・支持部材
３ａ・・・溝
３ｂ、１３ｂ・・・隔壁
４、１４・・・圧電層
５、１５・・・共通電極
６、１６・・・個別電極
７、１７・・・変位素子
８ａ、１８ａ・・・拘束部
８ｂ、１８ｂ・・・非拘束部部
１３・・・流路部材
１３ａ・・・インク流路
１３ｂ・・・隔壁
Ｔ・・・全体厚み
ｔ・・・圧電層の厚み
【図１】
2004142350.tif 000004
【図２】
2004142350.tif 000005
【図３】
2004142350.tif 000006