(57)【要約】【課題】接触不良が生じにくく、特性低下を抑制したアクチュエータを提供する。【解決手段】圧電磁器からなる圧電基板２と、該圧電基板２の主面の一部に設けられた複数の表面電極９ａと、該圧電基板２の内部に設けられた複数の内部電極９ｂと、前記電極間を電気的に接続するビア電極９ｃと、前記圧電基板２に接着層を介して接着された支持部材３とを具備するアクチュエータ１において、全体の厚みが１００μｍ以下であるとともに、電圧が印加される全ての前記内部電極９ｂの主面に、前記ビア電極９ｃの端面が当接してなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電磁器からなる圧電基板と、該圧電基板の主面の一部に設けられた複数の表面電極と、該圧電基板の内部に設けられた複数の内部電極と、前記電極間を電気的に接続するビア電極と、前記圧電基板に接着層を介して接着された支持部材とを具備するアクチュエータにおいて、全体の厚みが１００μｍ以下であるとともに、電圧が印加される全ての前記内部電極の主面に、前記ビア電極の端面が当接してなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記ビア電極が、前記表面電極又は前記内部電極との接合端部に設けられたビア当接部と、残部のビア導体部とからなり、前記ビア当接部の最大径が、前記ビア導体部の最小径よりも大きい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】
前記ビア当接部の最大径が、前記ビア導体部の最小径よりも２０％以上大きい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】
前記ビア当接部の最大径と前記ビア導体部の最小径の差が、前記内部電極の平均厚みよりも大きい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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信頼性の高いアクチュエータに関するものであり、特に、文字や画像の印刷に用いるインクジェット記録装置に好適に用いられるアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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カする記録装置として、インクジェット方式の記録装置、特に圧電方式の記録装置の利用が急速に拡大している。かかる圧電方式の記録装置には、アクチュエータを用いた印刷ヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような印刷ヘッドは、例えば図４（ａ）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が設けられた構造を有する。
【０００４】
アクチュエータ２１は、圧電セラミック層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２１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。
【０００５】
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る構造になっている。
【０００６】
また、図４（ｂ）に示したように、圧電セラミック層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可能である。
【０００７】
さらに、共通電極２５や個別電極２６とは別に、アクチュエータ２１の内部に電極を設ける場合がある。例えば、複数の変位素子２７における変位ばらつきを防止するため、温度検知素子として内部に機能電極を多数設けることが提案されている（例えば特許文献２）
このように、共通電極２５や機能電極等の絶縁基板の内部に設けられた電極に電圧を供給するための内部配線回路が設けられ、その一部として複数の内部電極が設けることがあり、これによって高機能化又は高性能化を図ることが可能となる。
【０００８】
例えば、図５（ａ）に示したように、第１層〜第５層の絶縁層で構成される圧電磁器の表面に表面電極２９ａが設けられ、表面電極２９ａは、内部電極２９ｂとビア電極２９ｃを介して電気的に接続されている。内部電極２９ｂを形成する電極材には、圧電材料と同時焼成を行うため、融点の高いＰｔ、Ｐｄ、Ａｇ等の少なくとも１種の貴金属を用いることになる。ところが、これらの貴金属が高価なことから、製造コストに占める材料コストの割合を低減するために、内部電極２９ｂの厚みを薄くして、貴金属量を低減してコストを低減する必要がある。
【０００９】
しかし、内部電極２９ｂの厚みを薄くすると、内部電極２９ｂとビア電極２９ｃの当接部、特に、内部電極２９ｂの断面部と、ビア電極２９ｃの側面部との接合部３０において断線の発生、若しくは内部電極２９ｂとビア電極２９ｃ間の電気抵抗値が高くなる接触不良の問題があった。
【００１０】
そこで、図５（ｂ）に示したように、第１層〜第５層の絶縁層で構成される圧電層の表面に表面電極２９ａ、内部に内部電極２９ｂとビア電極２９ｃが形成され、さらに、表面電極２９ａ又は内部電極２９ｂの表面に補強用電極２９ｄを設け、表面電極２９ａ又は内部電極２９ｂが補強用電極２９ｄを介してビア電極２９ｃの側面に接続することによって、接続に関する接触面積を増加させ、接触不良を改善する試みがなされている（例えば、特許文献３参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特公平７−９６３０１号公報
【特許文献２】
特願２００２−２４７３２０号
【特許文献３】
特開平１１−２６１１２２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献３に記載のアクチュエータのように、グリーンシート表面に補強用電極２９ｄとなる電極層を印刷し、しかる後にグリーンシートを積層すると、アクチュエータの厚さが１００μｍ以下の場合には、補強用電極２９ｄの厚みがアクチュエータ表面に相対的に大きな段差となって現われる。これを、支持体に接着すると、残留応力やアクチュエータの変形による応力又は振動等により段差部分に応力が集中し、アクチュエータの破損や接触不良により、アクチュエータとしての特性が低下するという問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、接触不良が生じにくく、支持部材との接着よる破損を防止し、特性の優れたアクチュエータを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電圧が印加される全ての内部電極の主面と、ビア電極の端面とを当接して接続することによって、積層時の段差発生を解消し、支持部材の接着やアクチュエータの変形等による電気的接触不良を防止して特性劣化を抑制したアクチュエータを実現することができるという知見に基づくもので、特に、ビア電極の形状を制御することによって、アクチュエータの特性をより安定させることができる。
【００１５】
即ち、本発明のアクチュエータは、圧電磁器からなる圧電基板と、該圧電基板の主面の一部に設けられた複数の表面電極と、該圧電基板の内部に設けられた複数の内部電極と、前記電極間を電気的に接続するビア電極と、前記圧電基板に接着層を介して接着された支持部材とを具備するアクチュエータにおいて、全体の厚みが１００μｍ以下であるとともに、電圧が印加される全ての前記内部電極の主面に、前記ビア電極の端面が当接してなることを特徴とするものである。
【００１６】
特に、前記ビア電極が、前記表面電極又は前記内部電極との接合端部に設けられたビア当接部と、残部のビア導体部とからなり、前記ビア当接部の最大径が、前記ビア導体部の最小径よりも大きいことが好ましい。これにより、内部電極とビア電極の当接部において接合部の面積を大きくでき、断線の発生を抑制でき、又内部電極とビア電極間の電気抵抗値を低く確保することが可能となる。
【００１７】
また、接触不良をより確実に、より効果的に防止し得るために、前記ビア当接部の最大径が、前記ビア導体部の最小径よりも２０％以上大きいことが好ましい。
【００１８】
さらに、前記ビア当接部の最大径と前記ビア導体部の最小径の差が、前記内部電極の平均厚みよりも大きいことが好ましい。これにより、より安定した導通を確保できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明のアクチュエータ１は、図１に示したように、支持部材３の上に、圧電磁器からなる圧電基板２が設けられた構造を有する。
【００２０】
支持部材３には複数の溝３ａが並設され、溝３ａを仕切る壁として隔壁３ｂが形成されている。溝３ａの開口部の直上に個別電極６が配置するように、アクチュエータ１の圧電基板２と支持部材３とが接着されている。
【００２１】
圧電基板２は、振動に関与する部位である圧電セラミック層４と、表面に設けられた個別電極６と、内部に設けられた共通電極５ａとを具備している。そして、圧電基板２の表面に一部位として設けられた圧電セラミック層４を、共通電極５ａと個別電極６とで挟持してなる変位素子７が複数設けられている。
【００２２】
また、内部の温度や圧力を検知すること等を目的とした電極５ｂが圧電基板２の内部に形成されている。これらの電極５ａ、５ｂが、圧電基板２の内部に形成されているため、本発明においては、これらの電極を内部電極と定義する。
【００２３】
本発明によれば、アクチュエータ１の厚みＴは、個別電極６を含めた圧電基板２の厚みを示すものであり、Ｔが１００μｍ以下であることが重要である。このように薄層にすることで、大きな変位を得ることができ、また低電圧で高効率の駆動を実現できる。従って、特に最近のカラープリンタの性能向上に伴う高速化及び高精度化の要求に対して、本発明においては、１００μｍ以下の厚みにすることにより、その要求に対応することができ、アクチュエータ１及びそれを用いた印刷ヘッドの高性能化に寄与することができる。特に、アクチュエータ１としての特性をさらに高めるため、Ｔは８０μｍ以下、更には６５μｍ以下、より好適には５０μｍ以下が良い。
【００２４】
また、アクチュエータ１の厚みＴの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱い及び作動中の破壊を防止するため、３０μm、より好適には４０μｍであることが好ましい。
【００２５】
アクチュエータ１において、電圧を印加するために内部電極９ｂは他の内部電極９ｂを介して、又は直接表面電極９ａと電気的に接続する必要がある。よって、表面電極９ａと内部電極９ｂとの電気的接続、及び内部電極９ｂ間の電気的接続のためにビア電極９ｃが設けられる。例えば図２に示したように、５層のセラミック層からなる圧電基板２の表面に表面電極として表面電極９ａが、セラミック層間には複数の内部電極９ｂが設けられ、表面電極９ａと内部電極９ｂ、又は内部電極９ｂ間を電気的に接続するためにビア電極９ｃが複数設けられている。
【００２６】
本発明によれば、内部電極９ｂのうちで、電圧が印加される内部電極９ｂは全てその主面に、ビア電極９ｃの端面が当接していることが重要である。このような構造を採用することによって、積層時に電極厚み分の段差が発生するのを防止するとともに、接合部の面積を大きくでき、支持体の接着やアクチュエータの変形等による電気的接触不良や破損を防止することができる。
【００２７】
ビア電極９ｃは、例えば図３（ａ）に示したように、表面電極９ａ又は内部電極９ｂとの接合端部に設けられたビア当接部１０ａと、一対のビア当接部１０ａに挟持されるように設けられたビア導体部１０ｂからなる。即ち、ビア当接部１０ａは、ビア電極９ｃの端部付近に設けられ、ビア導体部１０ｂはビア電極９ｃの中央部を含む残部である。なお、ビア電極９ｃの形状は、図３（ｂ）に示したように、テーパー形状であっても同じ効果が得られる。
【００２８】
そして、ビア導体部１０ｂの最小径をｄ1、ビア当接部１０ａの最大径をｄ2とした時、ｄ2をｄ1よりも大きくする（ｄ2≧ｄ1）のが良い。ビア電極９ｃをこのような構造にすることにより、内部電極９ｂとビア電極９ｃの界面における接合面積を大きくでき、接触不良や断線を効率的に抑制できるとともに、内部電極９ｂとビア電極９ｃ間の電気抵抗値を低く維持することが容易となる。
【００２９】
特に、ｄ2がｄ1よりも２０％以上（ｄ2≧１．２ｄ1）、更には３０％以上（ｄ2≧１．３ｄ1）大きいことが上記効果をより確実に得るために好ましい。
【００３０】
さらに、上記効果を十分に発揮し、より安定した導通をするため、前記ビア当接部１０ａの最大径ｄ2とビア導体部１０ｂの最小径ｄ1の差（ｄ2−ｄ1）が、前記内部電極９ｂの平均厚みｔよりも大きいこと（ｄ2−ｄ1≧ｔ）が好ましい。
【００３１】
複数層の内部電極９ｂをビア電極９ｃで接続し表面電極９ａへ取り出す際、ビア電極９ｃが内部電極９ｂを貫通して電気的に接続されると、内部電極９ｂとの接続面積には内部電極９ｂの厚み分しか寄与しないため、接続不良が発生し、電気抵抗値が高くなってしまうのに対して、本発明のアクチュエータ１では、全ての電極がビア電極９ｃの端面に当接するように設けられ、しかも電極厚み分の盛り上がりを排除したため、支持部材３に接着しても応力集中を低減でき、特性の優れたアクチュエータ１を実現できる。
【００３２】
よって、補強用の電極層厚み分の段差によるアクチュエータ１表面の段差がなくなり、流路部材との接合において、段差部分に接合時の圧力が集中し、接触不良が生じてアクチュエータ１が破損する問題を回避出来る。又同時に、段差がなくなることにより、段差部分周辺の空洞発生を回避出来、複数の溝３ａが連通してしまうこともなく、アクチュエータ１がより安定して振動し、プリンタの印刷ヘッドに応用した場合には、インク滴の吐出を安定化することができる。
【００３３】
次に、本発明の製造方法について具体的に説明する。
【００３４】
まず、圧電セラミック粉末を準備する。圧電セラミックスとしては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）のうち少なくとも１種を主成分とする圧電セラミックス等を用いることができる。
【００３５】
上記圧電セラミック粉末からなるスラリーを作製して、ロールコーター法、ドクターブレード法等からなるテープ成形法にて薄膜のグリーンシートを作製し、金型打ち抜きによってグリーンシートに貫通孔を形成する。
【００３６】
その後、各々のグリーンシートに対応するように、表面に金属ペーストを内部電極９ｂのパターン形状にスクリーン印刷法にて塗布する。又、貫通孔には内部電極９ｂと同様の電極を用いることが出来るが、圧電体粉末をフィラー剤として添加しておいてもよい。
【００３７】
電極形成に用いる金属ペーストに使用する金属としては、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｎｉの単独又は少なくとも１種以上を主成分とする合金を用いることができ、合金としては、Ａｇ−Ｐｄ合金を例示できる。
【００３８】
セラミックグリーンシートを各複数枚交互に積層し、圧着することによって複数の変位素子７、表面電極９ａ及び内部電極９ｂを具備するアクチュエータ１の粉末成形体を形成する。
【００３９】
このとき、貫通孔の形成時に、貫通孔の径をグリーンシート毎に変えておくことにより、ビア当接部１０ａ及びビア導体部１０ｂの大きさの異なるビア電極９ｃを作製することが可能となる。また、スラリー塗布、化学エッチングやプラズマエッチング等によりビア当接部１０ａに相当する孔を形成することもできる。
【００４０】
また、貫通孔のビア当接部１０ａがテーパー状の場合、上記貫通孔を形成した後に、所望の形状を有する加圧パンチで貫通孔の端部に接触させ、テーパー形状を得ることも可能である。また、貫通孔形成後にグリーンシートを加圧することにより貫通孔をテーパー状にすることも可能である。
【００４１】
この後、所望の焼成温度で焼成し、得られた焼結体を厚み方向に分極して、本発明のアクチュエータ１を得ることが出来る。
【００４２】
なお、圧電基板２として５層のセラミック層が積層されたものを例示したが、本発明では、積層数は限定されるものでなく、表面電極層９ａのみを個別の電極層とし、内部電極９ｂは共通の内部電極９ｂのみとした３層又は４層の積層構造であっても、或いは６層以上の積層構造であっても、その効果は変わらず、少なくとも２層以上であれば適用できるものである。
【００４３】
【実施例】
圧電セラミック層に用いる圧電材料をチタン酸ジルコン酸鉛とし、スラリーを作製し、薄いグリーンシートを成形する時に一般的に用いられるロールコーター法にて、グリーンシートを作製した。
【００４４】
次いで、金型打ち抜きによって、１００μｍ径の貫通孔をビアホールとしてグリーンシートに形成した。なお、後の積層工程において内部電極表面に貫通孔の開口部がそれぞれ当接するように、孔の位置を設定した。さらに、所望により、上記の原料粉末を用いて別途スラリーを作製し、このスラリーをグリーンシート上に塗布し、上記ビアホールの端部に段差を設け、その形状が図３（ａ）のビア電極形状になるようにした。
【００４５】
なお、ビア電極の形状をＡ〜Ｄで表した。Ａは、図５（ｂ）に相当するもので、補強用電極を形成してビア電極との接触面積を増加させたもの、Ｂは図５（ａ）に相当するもので、内部電極の端面がビア電極と当接しているもの、Ｃ及びＤは、図２に相当し、内部電極の主面がビア電極の端面に当接した本発明の構造を有し、ビア電極がＣは図３（ａ）、Ｄは図３（ｂ）の構造である。
【００４６】
その後、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる金属ペーストを作製し、各グリーンシートに対して、それぞれの所望の部位に表面電極及び内部電極が形成されるように、電極パターンをスクリーン印刷法にて形成する。また、貫通孔には内部電極層と同様の電極で、圧電体粉末をフィラー剤として２０体積％添加した電極材をスクリーン印刷にて充填し、ビア電極を形成した。
【００４７】
また、変位素子も、縦に１０個、横に２０個並んだマトリックス状になるように形成した。
【００４８】
そして、グリーンシートを積層して、表面電極、内部電極及びビア電極を備えた積層成形体を作製した。その後、この積層成形体を焼成した後、各電極層に電圧を印加して分極処理を行って、アクチュエータを作製した。
【００４９】
そして、図１に示した形状の支持部材、即ち溝が並設され、開口部を有するステンレス板に上記アクチュエータを、溝の上部に変位素子が位置するように接着し、個別電極と共通電極間に電圧２０Ｖを印加し、変位素子の変位量を測定した。このようにして２００個の変位素子について測定した変位量の平均値を算出し、初期の変位量とした。
【００５０】
次に、上記２００個の変位素子に、２０Ｖの電圧を２０ｋＨｚで印加し、２４時間の電圧印加後に各素子の変位をそれぞれ測定し、平均値を算出して負荷後の変位量とした。そして、初期の変位量に対する負荷後の変位量の変化率を算出し、低下率とした。
【００５１】
さらに、上記２４時間の電圧負荷前後で電気抵抗の測定を行って、１０％以上の低下のあるものを不良として不良数を測定し、不良率を算出した。
【００５２】
なお、各変位素子に電圧をそれぞれ印加したときの変位は、ドップラー測定器によって計測した。また、アクチュエータの厚みＴ、内部電極の厚みｔ、ビア導体部の最小径ｄ1、及びビア当接部の最大径ｄ2を、アクチュエータ断面を研磨後、ＣＣＤを利用したキーエンス製マイクロスコープによって測定した。結果を表１にした。
【００５３】
【表１】
2004207340.tif 000003
【００５４】
本発明の試料Ｎｏ．３〜１４は、変位量の低下率が６．９％以下、抵抗不良率が１％以下であった。
【００５５】
一方、電圧が印加される全ての内部電極がビア電極の端面に当接していない本発明の範囲外の試料１、２は、変位量の低下率が１３．８％以上、抗不良率が７％以上であった。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は、内部電極のうち、電圧が印加され、電流の流れる全ての電極の主面とビア電極の端面とを当接させることによって、接触不良が生じにくく、特性低下を抑制したアクチュエータを実現したものである。
【００５７】
特に、ビア当接部の最大径を前記ビア導体部の最小径よりも大きくすることで、当接面積、即ち接続部の接触面積を大きくでき、断線をより効果的に防止でき、接続の安定性を向上することが可能となる。
【００５８】
さらに、本発明のアクチュエータを支持部材と接着して印刷ヘッドに適応しても、残留応力を低下できるため、アクチュエータの破損を防止し、インク吐出の安定性を改善することができる。
【００５９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータの構造を示す断面図である。
【図２】本発明のアクチュエータの電極構造を示す断面図である。
【図３】本発明のアクチュエータのビア電極の構造を示す断面図で、（ａ）ビア当接部が矩形の場合、（ｂ）ビア当接部がテーパーの場合である。
【図４】従来のアクチュエータを示すもので、印刷ヘッドに応用した場合の（ａ）概略断面図及び（ｂ）平面図である。
【図５】従来のアクチュエータの電極構造を示すもので、（ａ）端面接続を行った場合の概略断面図、（ｂ）補強用電極を用いた場合の概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・アクチュエータ
２・・・圧電基板
３・・・支持部材
３ａ・・・溝
３ｂ・・・隔壁
４・・・圧電セラミック層
５ａ・・・共通電極
５ｂ・・・電極
６・・・個別電極
７・・・変位素子
９ａ・・・表面電極
９ｂ・・・内部電極
９ｃ・・・ビア電極
１０ａ・・・ビア当接部
１０ｂ・・・ビア導体部
ｄ1・・・ビア当接部の最大径
ｄ2・・・ビア導体部の最小径
ｔ・・・内部電極の平均厚み
【図１】
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【図２】
2004207340.tif 000005
【図３】
2004207340.tif 000006
【図４】
2004207340.tif 000007
【図５】
2004207340.tif 000008