(57)【要約】【課題】圧電変位素子間の変位ばらつきが小さい印刷ヘッドを提供する。【解決手段】液体加圧室３ａと、該液体加圧室３ａに液体を導入するための液体導入口と、該液体を吐出するための液体吐出口８と、を具備する流路部材３に、圧電アクチュエータ１が接合層を介して設けられてなる印刷ヘッドにおいて、該圧電アクチュエータ１がその表面に複数の表面電極とを備え、且つ前記圧電アクチュエータ１と前記流路部材３との熱膨張係数差が３×１０−６／℃以下であることを特徴とする。【選択図】図１
2005041053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体導入口と、液体加圧室と、液体吐出口とを具備する流路部材の上に、圧電駆動部を有する圧電アクチュエータが設けられた液体吐出装置において、前記流路部材が樹脂を含み、その熱膨張係数が９×１０−６／℃以下であることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項２】
前記樹脂の熱膨張係数が、異方性を有し、一方向が２×１０−６／℃以下、該一方向に直角な他方向が６×１０−６／℃以上であることを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
【請求項３】
前記流路部材が、前記樹脂からなる樹脂層と、金属層との積層体からなることを特徴とする請求項１又は２記載の液体吐出装置。
【請求項４】
前記樹脂層の熱膨張係数が、前記圧電アクチュエータの熱膨張係数よりも大きく、且つ前記金属層よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の液体吐出装置。
【請求項５】
前記樹脂が、液晶ポリマーからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出装置。
【請求項６】
前記圧電アクチュエータが、接着剤層を介して前記流路部材上に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液体吐出装置。
【請求項７】
前記液体吐出装置が、インクジェットヘッドであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液滴吐出装置に関し、特に、例えば、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好適に使用される印刷ヘッド、接着剤やインク等の精密吐出・液体搬送に用いられるポンプ等に好適に用いられる液滴吐出装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、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（発信子を含む）、超音波振動子、超音波モーター、圧電センサ、圧力ポンプ等がある。
【０００３】
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。
【０００４】
インクジェット方式を利用した印刷ヘッドは、ＰＺＴ等のＰｂを含むペロブスカイト系セラミックスからなる圧電変位素子を備え、該圧電変位素子に両側から駆動電圧を印加した時の圧電変位素子の変位を利用して微小な液滴を液体吐出口から吐出させるものである（例えば、特許文献１）。
【０００５】
具体的には、圧電変位素子を複数備える圧電アクチュエータが、液体導入口と、液体加圧室と、液体吐出口とを具備する流路部材の上に、液体加圧室の直上に圧延圧電変位素子が配置されるように、構成されている。
【０００６】
流路部材としては、ステンレス鋼等の金属が用いられ、接着剤等を用いて、圧電アクチュエータと加熱接合されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報図２
【０００８】
【特許文献２】
特開２００３−１１８１０３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、流路部材として金属材料を用いているため、この金属の熱膨張係数が、圧電駆動部を有するセラミック部材の熱膨張係数より大きいため、熱硬化性樹脂を用いた接着において、熱硬化温度下での両部材の熱膨張差によって、圧縮応力が圧電アクチュエータに残留し、この残留応力が圧電駆動部の圧電特性を大幅に低下させるという問題があった。
【００１０】
また、流路部材に用いる金属材料は圧延板を使用するため、圧延方向とその直角方向で熱膨張係数に差が発生する。流路部材はこの金属板に流路設計にもとづいたパターンを形成して、これを積層、張り合わせて形成する。このため圧電駆動部を有するセラミック部材間の応力状態は更に複雑化しており、予測不可能な方向の残留応力が圧電セラミックスに掛かり圧電特性の低下並びに変動を引き起こすという問題があった。
【００１１】
従って、本発明は、圧電セラミックと金属流路部材との間の残留応力が小さく、圧電特性の安定した液体吐出装置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、流路部材として樹脂を含む低熱膨張材料とすることで、流路部材と圧電アクチュエータとに発生する残留応力を低減するとともに、樹脂による応力緩和によって圧電アクチュエータに発生する残留応力を顕著に低減し、特に、熱膨張係数差が小さく、異方性を持つ液晶ポリマーを用いることによって、圧電アクチュエータの圧電特性を十分に発揮させることができるという新規な知見に基づくものである。
【００１３】
即ち、本発明の液滴吐出装置は、液体導入口と、液体加圧室と、液体吐出口とを具備する流路部材の上に、圧電駆動部を有する圧電アクチュエータが設けられた液体吐出装置において、前記流路部材が樹脂を含み、その熱膨張係数が９×１０−６／℃以下であることを特徴とすることを特徴とするものである。
【００１４】
これにより、金属部材との組み合わせであっても熱膨張係数の差を抑制する方向に樹脂を配置することで流路部材全体の応力ひずみを緩和して、且つ圧電磁器と流路部材との間に発生する残留応力を軽減することができる。
【００１５】
特に、前記樹脂の熱膨張係数が、異方性を有し、一方向が２×１０−６／℃以下、該一方向に直角な他方向が６×１０−６／℃以上であり、前記流路部材が、前記樹脂からなる樹脂層と、金属層との積層体であることが好ましい。このような構造を有することにより、液滴吐出装置内の熱膨張整合性が向上し、また、熱膨張係数差に起因して発生する応力も樹脂が緩和するため、アクチュエータに発生する応力が小さく抑えられるため、流路部材の一部に金属層を用いても十分な圧電特性を示すことができる。
【００１６】
さらに、前記樹脂層の熱膨張係数が、前記圧電アクチュエータの熱膨張係数よりも大きく、且つ前記金属層よりも小さいことが好ましい。これにより、発生する残留応力をさらに低減することができる。
【００１７】
さらにまた、前記樹脂が、液晶ポリマーからなることが好ましい。液晶ポリマーの熱膨張係数は、２〜１０×１０−６／℃であり異方性を持つ。金属プレートに用いる圧延板は圧延方向でαが異なる。例えば、ＰＺＴの６×１０−６／℃、ＰＭＮの３×１０−６／℃、ＰＮＮの４×１０−６／℃と類似であり、小さな熱膨張係数差を提供できる。
【００１８】
前記圧電アクチュエータが、接着剤層を介して前記流路部材上に設けられていることが好ましい。これにより、圧電アクチュエータに発生する残留応力を顕著に低減することができる。
【００１９】
前記液体吐出装置が、インクジェットヘッドであることが好ましい。上記の液体吐出装置は、耐薬品性に優れる材質を流路部材に用いているため、インクジェットヘッドとして好適に用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態にかかる液体吐出装置について、インクジェットヘッドを用いた場合について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態の圧電アクチュエータを示す概略断面図である。同図に示すように、インクジェットヘッドは、圧電アクチュエータ１が流路部材３の表面に接着層９を介して接合されてなるものである。
【００２２】
圧電アクチュエータ１は、振動板２と、振動板２上に設けられた共通電極５と、共通電極の上に設けられた圧電セラミック層４と、圧電セラミック層４の上に配列された複数の表面電極６とを具備し、共通電極５、圧電セラミック層４および表面電極６により圧電変位素子７が形成されている。
【００２３】
流路部材は、複数の液体加圧室３ａが並設され、液体加圧室３ａを仕切る壁として隔壁３ｂが形成されている。液体加圧室３ａの開口部の直上に個別電極６が配置するように、圧電アクチュエータ１と流路部材３とが接合されているため、内部電極５と個別電極６との間に駆動電圧を印加すると、内部電極５と個別電極６とで挟持された圧電体層４が変形し、圧電変位素子７が変位し、変位領域７ａが変位することとなり、その結果、液体加圧室３ａの容積を変化させるため、その時に発生する圧力で液体加圧室３ａの液体（インク）が液体吐出口８から吐出する。
【００２４】
圧電アクチュエータ１の厚みＴは、振動板２と圧電変位素子７の総厚みを示すものであり、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、低電圧で高効率の駆動を実現できる。特に、圧電アクチュエータ１としての特性を十分に発揮できる点で、好ましくは８０μｍ以下、より好ましくは６５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下であるのがよい。一方、厚みＴ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ため、３μｍ、好ましくは５μｍ、より好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは２０μｍであることがよい。
【００２５】
圧電セラミック層４としては、圧電性を示すセラミックスを用いることができ、具体的には、Ｂｉ層状化合物（層状ペロブスカイト型化合物）、タングステンブロンズ型化合物、およびＮｂ系ペロブスカイト型化合物（Ｎｂ酸ナトリウムなどのＮｂ酸アルカリ化合物（ＮＡＣ）、Ｎｂ酸バリウムなどのＮｂ酸アルカリ土類化合物（ＮＡＥＣ））、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛等のペロブスカイト型化合物を含有する物質を例示できる。
【００２６】
上記のうち、特に、少なくともＰｂを含むペロブスカイト型化合物であるのがよい。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛等を含有する物質が好ましい。特に、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のがよい。このような組成にすることで、高い圧電定数を有する圧電セラミック層４が得られる。これら中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛やチタン酸鉛が、大きな変位を付加する上で好適である。
【００２７】
上記ペロブスカイト型結晶の一例として、ＰｂＺｒＴｉＯ３を好適に使用できる。また、他の酸化物を混合しても良く、さらに、副成分として、特性に悪影響がない範囲であれば、Ａサイトおよび／またはＢサイトに他元素が置換していてもよい。例えば、副成分としてＺｎ、Ｓｂ、ＮｉおよびＴｅを添加した、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３およびＰｂ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）Ｏ３の固溶体であってもよい。
【００２８】
本発明によれば、上記ペロブスカイト型結晶における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のが望ましい。アルカリ土類元素としてはＢａ、Ｓｒ、Ｃａなどが挙げられ、特にＢａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましい。これにより、比誘電率が向上する結果、さらに高い圧電定数を得ることが可能となる。
【００２９】
具体的には、Ｐｂ１−ｘ−ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）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）で表される化合物を例示できる。
【００３０】
振動板２は、絶縁性の高いものであれば良いが、圧電体であること、特に残留応力低減のために圧電セラミック層４と略同一の熱膨張係数を有するものであることが好ましく、更に圧電セラミック層４と略同一の組成であることがより好ましい。これにより、同時焼成が可能となり、熱膨張差に起因して焼成時に発生する熱応力によって反りや歪みが生じるのを防止することが容易となる。
【００３１】
なお、振動板２は、単層でも良いが、厚みを制御し、焼結後の組成ばらつきや特性ばらつきを抑制するため、積層体であることが好ましい。また、剛性を高める目的や、振動板内部で発生する電荷を除去する目的で、内部に導体層を設けても良い。
【００３２】
表面電極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。表面電極６の厚みは、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、一般に、０．５〜５μｍ程度であり、特に１〜４μｍが好ましい。
【００３３】
共通電極５は、Ａｇを含有しているのが好ましく、特にＡｇ−Ｐｄ合金であるのがより好ましい。Ａｇ−Ｐｄ合金の場合には、電極材料中のＡｇの比率が９０体積％以上であり、残部がＰｄであるのがよい。これにより、電極の収縮が抑制され、圧電アクチュエータ焼成時の圧縮残留応力を抑制することができる。
【００３４】
特に、Ａｇ−Ｐｄ合金のＡｇの比率を高くすることにより、圧電セラミック層４中にＡｇを適度に拡散させて圧電セラミック層４の焼成温度を低下させて圧電セラミック層４の密度を向上させることができる。共通電極５の厚みとしては、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、一般に、０．５〜５μｍ程度であり、好ましくは１〜４μｍであるのがよい。
【００３５】
本発明によれば、流路部材として、熱膨張係数が９×１０−６／℃以下の樹脂を含む材料を用いることが重要である。熱膨張係数が９×１０−６／℃を超えると、圧電セラミックスとの熱膨張係数の差が大きくなり、流路部材と圧電セラミックス間の残留応力が大きくなるという問題が生じるためであり、特に８×１０−６／℃以下、更には７×１０−６／℃以下が好ましい。
【００３６】
さらに、樹脂を用いるため、熱膨張係数に起因して発生する残留応力を低減できるから、熱膨張係数差に起因する残留応力が発生しても小さく抑制でき、圧電特性を十分に発揮させることが可能な液体吐出装置を提供することができる。
【００３７】
樹脂の熱膨張係数は、一様ではなく、異方性を有することが好ましい。異方性を有すると金属板との組み合わせの際、金属板の持つ熱膨張係数の異方性の影響をも抑制することができるためである。特に、一方向が２×１０−６／℃以下、これに直角な方向が６×１０−６／℃以上であることが好ましい。なお、このような異方性があっても、樹脂を用いて流路部材を形成した時に、少なくとも面方向においては、９×１０−６／℃以下の熱膨張係数を有することは言うまでもない。
【００３８】
このような熱膨張を有する樹脂の中でも、液晶ポリマーは熱膨張係数の絶対値、異方性の点で好ましい。しかも、液晶ポリマーを用いることで、耐酸性にも優れた液体吐出装置を得ることができ、強酸性インク等の強酸や強アルカリの液体も扱うことができる。
【００３９】
また、本発明によれば、流路部材が樹脂層と金属層とからなることが好ましい。金属層を用いることによって流路部材のヤング率向上が期待でき、振動板の上に格子状又は千鳥状に高密度で圧電変位素子が配列された圧電アクチュエータを形成した場合に発生するクロストークを抑制することが期待できる。さらに、金属層の熱膨張係数が樹脂層の熱膨張係数よりも大きな場合、圧電アクチュエータ、樹脂層、金属層とこの順で設けられることにより、発生する応力を抑制し、発生した応力も樹脂層によって除去することが可能である。
【００４０】
例えば、図２に示したように、インクジェットヘッドは、圧電アクチュエータ１１が流路部材１３の表面に接着層１９を介して接合されてなり、且つ流路部材１３が樹脂層１３ｂと金属層１３ｃとから構成される。液体吐出口を含むインクジェットヘッドの表面に金属層１３ｃが設けられ、金属層１３ｃと圧電アクチュエータ１１に挟持されるように樹脂層１３ｂが設けられている。
【００４１】
特に、金属層、樹脂層、圧電アクチュエータの順で熱膨張係数が小さくなるように設定するのが良い。例えば、樹脂層が金属層よりも熱膨張係数が大きく、且つその熱膨張係数差を８×１０−６以下にするのが望ましく、また、樹脂層が圧電アクチュエータの熱膨張係数よりも大きく、且つその熱膨張係数差を３×１０−６以下にするのが好ましい。このような範囲に設定すれば、発生する応力の影響を効果的に排除することが可能である。
【００４２】
金属層としては、耐食性に優れる点でステンレス鋼が、熱膨張係数の点では４２アロイが好ましい。また、樹脂が異方性を有している場合、金属層の熱膨張係数異方性を低減することも容易である。
【００４３】
このような流路部材は、予め、流路部材に熱硬化性のエポキシ接着剤等の接着剤を塗布し、圧電アクチュエータに２ＭＰａの圧力をかけ、１５０℃の温度下にて接着後、冷却固化することによって接合することができる。
【００４４】
また、金属層を有する場合、金属層と樹脂層を交互に積層する手順によって接合することができる。
【００４５】
本発明の液体吐出装置は、インクジェットヘッドに用いた場合、残留応力のバラツキ軽減による圧電アクチュエータの変位ばらつきの抑制と残留応力低減による変位向上という効果があり、高速・高精彩プリンタを実現するために非常に有効となる。
【００４６】
【実施例】
まず、原料として、純度９９．９％以上のチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電体粉末を準備し、φ２ｍｍのジルコニアボールにてミル粉砕を行い平均粒子径が０．３〜０．５μｍとなるように調整し、乾燥後、メッシュパスすることによって原料粉末を得た。
【００４７】
次に、得られた原料粉末を成形してグリーンシートを作製するとともに、内部電極ペーストを作製した。次いで内部電極ペーストを、一部のグリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、内部電極を形成した。更に、内部電極が印刷されたグリーンシートと、内部電極ペーストを印刷しないグリーンシートを積層し、加圧プレスして積層成形体を作成し、これを焼成した。
【００４８】
得られた圧電アククエータ積層体の表面に、複数の表面電極を形成した。表面電極は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布し、６００個の矩形状の表面電極を形成した。これを６００〜８００℃の大気中で焼付け、圧電駆動部とした。
【００４９】
次に、得られた圧電アクチュエータを、流路部材に接着した。流路部材として、試料Ｎｏ．１〜７は、液晶ポリマーを樹脂層として圧電アクチュエータに接合し、且つＳＵＳ３１６鋼、ＳＵＳ４３０鋼（いずれもステンレス鋼）又は４−２アロイを金属層として、図２のように、樹脂層に接合して用いた。なお、試料Ｎｏ．８は、比較として、ＳＵＳ３１６鋼に圧電アクチュエータを直接接合した。
なお、接着は、接着剤としてエポキシ系接着剤を用い、１５０℃、４時間の加熱処理を行った。
【００５０】
熱膨張係数の測定は、室温〜１５０℃の線膨張係数を測定した。また、残留応力の測定は、Ｘ線回折を利用した歪み量から算出した。
【００５１】
静電容量の測定はインピーダンスアナライザを用い、３０箇所の圧電変位素子に対して測定を行い、静電容量のばらつきを算出した。即ち、静電容量の平均値をＡｖ、Ａｖからの最大バラツキをＤとした時に、Ｄ／Ａｖをばらつきとして百分率で表示した。
【００５２】
【表１】
2005041053.tif 000003
【００５３】
本発明の試料Ｎｏ．２〜８は、残留応力のばらつきが１０％以下、静電容量のばらつきが１０％以下であった。
【００５４】
一方、熱膨張係数差の大きなポリプロピレンを用いた試料Ｎｏ．１は、残留応力のばらつきが１８％、静電容量のばらつきが２０％と大きかった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は、前記流路部材の少なくとも一部が、熱膨張係数が９×１０−６／℃以下の樹脂からなる低熱膨張樹脂を用いた流路部材を採用したため、樹脂と圧電アクチュエータに熱膨張係数差があっても樹脂が応力を緩和し、特に、熱膨張係数差の小さな液晶ポリマーを用いることによって、圧電アクチュエータに発生する残留応力を顕著に低減し液体吐出装置を得ることができ、その結果、圧電アクチュエータの圧電特性を十分に発揮させることができる。
【００５６】
特に、本発明の液体吐出装置は、インクジェットヘッドとして好適に採用することができ、高速・高精彩プリンタを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いるインクジェットヘッドの構造を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明に用いる他のインクジェットヘッドの構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電アクチュエータ
２・・・振動板
３・・・流路部材
３ａ・・・液体加圧室
３ｂ・・・隔壁
４・・・圧電セラミック層
５・・・共通電極
６・・・個別電極
７・・・圧電変位素子
７ａ・・・変位領域
８・・・液体吐出口
９・・・接着層
【図１】
2005041053.tif 000004
【図２】
2005041053.tif 000005