(57)【要約】【課題】浮遊容量の変化による変位挙動のばらつきの少ない圧電アクチュエータ、液体吐出装置およびその浮遊容量の補正方法、並びに電子機器を提供する。【解決手段】積層された複数の圧電セラミック層３と、これらの圧電セラミック層３の間に配置された少なくとも１層の共通電極５と、最上層の前記圧電セラミック層３の表面に複数配列され、圧電駆動に寄与する駆動部７ａと、該駆動部７ａの一端に接続された駆動電圧印加用のランド部７ｂとからなる表面電極７とを備えた圧電アクチュエータであって、前記ランド部７ｂの面積を不均一に形成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に複数配列され、圧電駆動に寄与する駆動部と、該駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部とからなる表面電極とを備えた圧電アクチュエータであって、前記ランド部の面積を不均一に形成したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記ランド部の面積の最小値に対する最大値の比が、１．２以上であることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
少なくとも最表面の圧電セラミック層上に複数の表面電極を設けてなる圧電アクチュエータと、インク吐出孔を有する複数のインク加圧室が設けられ、該インク加圧室と前記表面電極との位置を揃えて、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材と、前記圧電アクチュエータ上のランド部に接続された配線基板と、該配線基板を通じて前記圧電アクチュエータ上に形成された前記複数の表面電極の各々に駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路とを備えるとともに、前記表面電極、前記配線基板および前記ドライブ回路により構成される信号経路上に浮遊容量補正手段を設けたことを特徴とする液体吐出装置。
【請求項４】
浮遊容量補正手段が、前記ランド部の面積の大きさを調整して行われるものであることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出装置。
【請求項５】
少なくとも最表面の圧電セラミック層上に複数の表面電極を設けてなる圧電アクチュエータと、インク吐出孔を有する複数のインク加圧室が設けられ、該インク加圧室と前記表面電極との位置を揃えて、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材と、前記圧電アクチュエータ上のランド部に接続された配線基板と、該配線基板を通じて前記圧電アクチュエータ上に形成された前記複数の表面電極の各々に駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路とを備え、駆動電圧信号を発生するドライブ回路から前記圧電アクチュエータの表面電極に至る信号経路において発生する浮遊容量を、前記表面電極を構成するランド部の面積の大きさで調整することを特徴とする液体吐出装置の浮遊容量の補正方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ、液体吐出装置及びその浮遊容量の補正方法、並びに電子機器に関し、より詳しくは、例えば、加速度センサ、ノッキングセンサ、ＡＥセンサ等の圧電センサ、燃料噴射用インクジェクター、インクジェットプリンタ用印刷ヘッド、圧電共振子、発振器、超音波モーター、超音波振動子、フィルタ等に適する圧電アクチュエータと、特に、圧電アクチュエータの広がり振動、伸び振動、厚み縦振動を利用した印刷ヘッドに代表される液滴吐出装置とその浮遊容量の補正方法、並びに、液滴吐出装置を用いたプリンタ等の電子機器に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、圧電セラミックスを利用して、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、圧電センサ等が製品化されている。
【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代表される液滴吐出装置として応用されている。
【０００４】
図４（ａ）は従来のインクジェット方式を利用した液滴吐出装置のひとつである印刷ヘッドを示す概略断面図、（ｂ）は、圧電セラミックス層上に形成した駆動部とランド部とからなる表面電極を示す平面図である。同図に示すように、この印刷ヘッドは、圧電アクチュエータ１０１を介して、その下層側にインクを吐出するための流路部材１０３が設けられ、一方、上層側には、この圧電アクチュエータ１０１に接続された配線基板１０５と、この配線基板１０５を通じて駆動電圧を供給するためのドライブ回路１０７とが備えられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
ここで、流路部材１０３は、インク吐出孔１０９とインク加圧室１１１とが一対となり隔壁１１３を介して複数形成され、これら一対のインク吐出孔１０９およびインク加圧室１１１と、圧電アクチュエータ１０１の最表面に形成された表面電極１１５とは位置を揃えて構成されている。
【０００６】
圧電アクチュエータ１０１は、積層された複数の圧電セラミック層１１７と、これらの圧電セラミック層１１７の間に配置された少なくとも１層の共通電極１１９と、最上層の前記圧電セラミック層１１７の表面に複数配列され、圧電駆動に寄与する駆動部１１５ａと、この駆動部１１５ａの一端に接続された駆動電圧印加用のランド部１１５ｂとからなる表面電極１１５とを備えて構成されている。通常、ランド部１１５ｂの面積は、図４（ｂ）に示すように、略同一面積（Ａ１＝Ａ２）にて形成される。
【０００７】
このような印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ１０１には、外部から駆動電圧が供給され、共通電極１１９と所定の表面電極１１５との間に電圧を印加して、この表面電極１１５直下の圧電セラミック層１１７を変位させることにより、インク加圧室１１１内のインクを加圧して、流路部材１０３の底面に開口したインク吐出口１０９よりインク滴を吐出する。
【０００８】
そして、圧電アクチュエータ１０１に外部から駆動電圧を印加する表面電極１１５は、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、上記したように変位にかかわる駆動部１１５ａと、外部からの駆動電圧信号を入力するためのランド部１１５ｂとに分けられ、駆動部１１５ａ直下の振動板１０３に接合された圧電セラミックス層１１７の変形を阻害しない構造となっている。このためランド部１１５ｂには、はんだ付けやワイヤーボンディングによって駆動電圧信号を入力するために配線基板１０５から導出されている配線１２１を直に接続でき、こうして、ドライブ回路１０７で発生させた駆動電圧信号を配線基板１０５を通じてランド部１１５ｂに供給することにより隣接する駆動部１１５ａのみを駆動させることができる。ここで圧電アクチュエータ１０１を駆動部１１５ａごとに区分した領域を変位素子１２３という。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電セラミックス層１１７の同一面上に複数の変位素子１２３が並設されているような上記した圧電アクチュエータ１０１では、ドライブ回路１０７から複数の表面電極１１５に対して個々に配線１２１の接続が行われており、このためドライブ回路１０７から配線基板１０５を介して表面電極１１５に至る信号経路１２５の長さの違いや近接間距離の違いによって、配線１２１間の浮遊容量が異なるために、ドライブ回路１０７から配線基板１０５を経て変位素子１２３に伝送される信号にばらつきが生じることになる。特に駆動信号の立ちあがり時において、変位素子１２３間で応答挙動が不均一となり、このため圧電アクチュエータ１０１の変位挙動のばらつきが大きくなるという問題があった。
【００１１】
従って、本発明は、浮遊容量の変化による変位挙動のばらつきの少ない圧電アクチュエータ、液体吐出装置およびその浮遊容量の補正方法、並びに電子機器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記のような課題について鋭意検討した結果、圧電アクチュエータの表面に形成された表面電極のうち、ランド部の面積を不均一に形成することにより、圧電アクチュエータを駆動させるためのドライブ回路から表面電極に至る信号経路に発生する浮遊容量の変化による変位挙動のばらつきを低減できるという目的を達成できることを見いだした。
【００１３】
即ち、本発明の圧電アクチュエータは、積層された複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の共通電極と、最上層の前記圧電セラミック層の表面に複数配列され、圧電駆動に寄与する駆動部と、該駆動部の一端に接続された駆動電圧印加用のランド部と、からなる表面電極とを備えた圧電アクチュエータであって、前記ランド部の面積を不均一に形成したことを特徴とするものである。
【００１４】
このような構成によれば、駆動電圧信号を伝送させるための複数の信号経路における誘電損失のばらつきを補正することができ、これにより上記複数の信号経路間に発生する浮遊容量の変動を低減できる。特に、駆動信号の立ちあがりに対する変位素子の応答挙動が一様となり、変位ばらつきの少ない高精度の圧電アクチュエータを実現できる。
【００１５】
上記圧電アクチュエータでは、前記ランド部の面積の最小値に対する最大値の比が、１．２以上であることが望ましい。
【００１６】
本発明の液体吐出装置は、上記のような圧電アクチュエータを用いて構成されるもので、それは、少なくとも最表面の圧電セラミック層上に複数の表面電極を設けてなる圧電アクチュエータと、インク吐出孔を有する複数のインク加圧室が設けられ、該インク加圧室と前記表面電極との位置を揃えて、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材と、前記圧電アクチュエータ上のランド部に接続された配線基板と、該配線基板を通じて前記圧電アクチュエータ上に形成された前記複数の表面電極の各々に駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路とを備えるとともに、前記表面電極、前記配線基板および前記ドライブ回路により構成される信号経路上に浮遊容量補正手段を設けたことを特徴とするものであり、ここで、浮遊容量補正手段が、前記ランド部の面積の大きさを調整して行われるものであることが望ましい。
【００１７】
さらに、本発明の液体吐出装置に関し、その浮遊容量の補正方法について言及すると、それは、少なくとも最表面の圧電セラミック層上に複数の表面電極を設けてなる圧電アクチュエータと、インク吐出孔を有する複数のインク加圧室が設けられ、該インク加圧室と前記表面電極との位置を揃えて、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記圧電セラミック層に取り付けられた流路部材と、前記圧電アクチュエータ上のランド部に接続された配線基板と、該配線基板を通じて前記圧電アクチュエータ上に形成された前記複数の表面電極の各々に駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路とを備え、駆動電圧信号を発生するドライブ回路から圧電アクチュエータの表面電極に至る信号経路において発生する浮遊容量を、前記表面電極を構成するランド部の面積の大きさで調整することを特徴とするものであり、このような本発明の液体吐出装置を備える電子機器は、上記の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電アクチュエータについて詳細に説明する。図１は本発明の圧電アクチュエータを示す概略断面図である。
【００１９】
本発明の圧電アクチュエータ１は、積層された複数の圧電セラミック層３と、これら圧電セラミック層３の間に配置された少なくとも１層の共通電極５と、最上層の前記圧電セラミック層３の表面に複数配列された表面電極７により構成されている。ここで圧電アクチュエータ１を駆動部７ａごとに区分した領域を変位素子９という。
【００２０】
図２は、最上層の圧電セラミック層上に形成された表面電極構造を示した平面図である。本発明の表面電極７は、圧電駆動に寄与する駆動部７ａと、この駆動部７ａの一端に接続された駆動電圧印加用のランド部７ｂとから構成されている。
【００２１】
本発明ではランド部７ｂの面積を不均一に形成したことが重要であり、その面積の最小値Ａ１に対する最大値Ａ２の比は１．２以上であることがより望ましい。
【００２２】
図３は、本発明の圧電アクチュエータ及びこれを用いた液体吐出装置のひとつである印刷ヘッドの概略断面図である。
【００２３】
本発明に係る印刷ヘッド１１は、圧電アクチュエータ１を介して、その下層側にインクを吐出するための流路部材１３が設けられ、一方、上層側には、この圧電アクチュエータ１の表面電極７に接続された配線基板１５と、この配線基板１５を通じて駆動電圧を供給するためのドライブ回路１７とが備えられている。これらドライブ回路１７、配線基板１５、および表面電極７により信号経路１９が構成されている。
【００２４】
ここで、流路部材１３は、インク吐出孔２１とインク加圧室２３とが一対となり隔壁２５を介して複数形成され、これら一対のインク吐出孔２１およびインク加圧室２３と、圧電アクチュエータ１の最表面に形成された表面電極７とは位置を揃えて構成されている。
【００２５】
配線基板１５は、例えば、フレキシブル配線基板やボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）など複数の配線１５ｂが絶縁層１５ａの表面、あるいは、表面および内部に形成されているものであれば好適に用いることができる。そして、配線１５ｂとランド部７ａとは半田付けやワイヤーボンディングによって接続される。
【００２６】
ドライブ回路１７は、前記配線基板１５を介して圧電アクチュエータ１上に形成された複数の表面電極７に駆動電圧信号を供給するためのものであるが、このようにドライブ回路１７、配線基板１５、および表面電極７により構成される信号経路１９には、一般に浮遊容量が発生する。
【００２７】
そこで本発明の印刷ヘッド１１は、信号経路１９上において浮遊容量補正手段を設けたことを特徴とするものであり、この浮遊容量補正手段、即ち、浮遊容量の補正方法は表面電極７を構成するランド部７ｂの面積の大きさを調整して行われるものである。
【００２８】
そして、上記のようなランド部７ｂの構造を有する本発明の圧電アクチュエータ１は、前記印刷ヘッド１１を用いたプリンタなどの電子機器に好適に用いることができる。
【００２９】
このような印刷ヘッド１１に用いられる圧電アクチュエータ１には、外部から駆動電圧が供給され、共通電極５と表面電極７との間に電圧を印加して、この表面電極７直下の圧電セラミック層３を変位させることにより、インク加圧室２３内のインクを加圧して、流路部材１３の底面に開口したインク吐出口２１よりインク滴を吐出する。
【００３０】
圧電セラミック層３としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、またはこれらの少なくとも１種を主成分とする圧電セラミックスが好適に用いられる。なお、圧電セラミック層３は厚み方向に互いに相対する方向に分極してある。圧電セラミック層３の厚みは、８〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍであるのがよい。
【００３１】
共通電極５は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｎｉの単独もしくは２種以上の組み合わせ、好適にはＡｇ−Ｐｄ系合金によって形成されることが望ましく、この圧電セラミック層３と共通電極５とは同時焼成される。共通電極５の厚みは、０．５〜５μｍ、好ましくは１〜３μｍであるのがよい。
【００３２】
表面電極７は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ系材料、Ｎｉの単独もしくは２種以上の組み合わせ、好適にはＡｕ系材料によって形成されることが望ましい。
【００３３】
次に、圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。まず、前記した圧電セラミックスの粉末を用いて圧電体シートを必要枚数形成した後、この圧電体シートにスクリーン印刷を用いて圧電体シートの略全面に共通電極パターンを形成する。ついで、共通電極パターンが形成された圧電体シートに対して、共通電極パターンを狭持するように、圧電体シートを積層して積層体を形成する。
【００３４】
次に、この積層体を所定の形状に切断した後、９００〜１１００℃程度で焼成して圧電アクチュエータ本体を形成する。
【００３５】
最後に、この圧電アクチュエータ本体の表面に導電ペーストを印刷して、所定の駆動部パターンおよびランド部パターンを形成して、６００〜８００℃程度で焼成する。これにより圧電アクチュエータ１を得ることができる。
【００３６】
一方、流路部材１３は、厚さ３０〜１００μｍ程度の金属箔の積層体からなり、各金属箔にエッチングや金型による打ち抜き等によってインク加圧室２３、インク吐出孔２１等がそれぞれ形成される。使用する金属としては、例えば、ステンレス箔、鉄−ニッケル系合金箔、チタン箔等があげられる。
【００３７】
このようにして作製した流路部材１３のインク加圧室２３と上記圧電アクチュエータ１上に形成された駆動部７ａとが対応するように位置を揃えて、圧電アクチュエータ１と流路部材１３とを接合し、さらに、この圧電アクチュエータ１のランド部７ｂに、半田付けやワイヤボンディングなどの金属接合を用いて、グランドおよび駆動用の配線１５ｂをそれぞれ形成した配線基板１５を接合する。
【００３８】
次に、圧電アクチュエータ１のランド部７ｂを配線基板１５の配線１５ｂを介して駆動電圧信号を供給するためのドライブ回路１７に結線する。
【００３９】
このようにして構成した印刷ヘッド１１では、圧電アクチュエータ１に外部から駆動電圧を印加する表面電極７が、変位にかかわる駆動部７ａと、外部からの駆動電圧信号を入力するためのランド部７ｂとに分けられ、駆動部７ａ直下の圧電セラミックス層３の変形を阻害しない構造となっていることから、ランド部７ｂには、はんだ付けやワイヤーボンディングによって駆動電圧信号を入力するために配線基板１５から導出されている配線１５ｂを直に接続でき、ドライブ回路１７で発生させた駆動電圧信号を配線基板１５を通じてランド部１５ｂに供給することにより隣接する駆動部７ａのみを駆動させることができる。こうして、駆動信号源を分岐することなく簡単な構造で吐出速度のばらつきを従来品に比べて低くでき高精度の印刷ヘッドを実現できる。
【００４０】
【実施例】
まず、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするセラミック粉末を用いて厚み２５μｍのグリーンシートを作製した。次に、得られたグリーンシートを５０ｍｍ×５０ｍｍに裁断して２枚１組に分類した後、２枚１組のうち１枚のグリーンシートの略全面に、Ａｇ−Ｐｄを７：３の割合で含む金属ペーストを印刷し、共通電極パターンを形成した。
【００４１】
そして、上記金属ペーストを印刷した面に、他の１枚のグリーンシートを重ね合わせた後、６０℃、５Ｍｐａの条件で熱圧着してグリーンシートの積層体を形成した。次に、この積層体を大気中で脱脂した後、同雰囲気中にて１０００℃で２時間焼成した。この後、圧電セラミック層の最表面に、表１に示す所定のパターンを有するスクリーンを用いてＡｕを含有する金属ペーストを印刷し、ピーク温度６００℃の連続炉を通過させて厚み約５μｍの表面電極を形成した。
【００４２】
次に、打ち抜き加工によってインク加圧室を形成した厚み１００μｍの金属箔と、このインク加圧室に連通するインク流路およびインク吐出孔をエッチングや金型プレスを用いた打ち抜き加工によって形成した厚み１００μｍ及び４０μｍのステンレス箔を接着剤にて貼り合わせることにより流路部材を形成した。
【００４３】
次に、上記圧電アクチュエータの駆動部と流路部材のインク加圧室との位置を揃えて接着剤により接着した。しかる後、この表面電極のランド部に配線基板の端子を合せてハンダ付けし、圧電アクチュエータ上に配線基板を接続した。さらに、この配線基板をドライブ回路に接続することにより本発明の印刷ヘッドを得た。各変位素子の静電容量はＬＣＲメータを用いて測定した。信号経路の浮遊容量は、これもＬＣＲメータを用い、配線基板上の配線の延長上にコンデンサを挿入し、その有無の差により求めた。応答ばらつきおよび吐出ばらつきはドライブ回路から所定の信号を送信して評価した。
【００４４】
【表１】
2005027403.tif 000003
【００４５】
作製した本発明の印刷ヘッドの圧電アクチュエータでは、配線基板の各端子に接合されるランド部の面積をランド部の面積の最小値Ａ１に対する最大値Ａ２の比を１．１〜１．４とした各変位素子の静電容量は３４０〜３８０ｐＦ、信号経路の浮遊容量が２０〜４０ｐＦであった。ここでドライブ回路からの最大電圧を３０Ｖとし、立ち上がり／下がり時間を１〜５μｓとした台形波を一律に入力したときの変位の応答時間のばらつきが１０％以下であった。このような圧電アクチュエータを印刷ヘッドに用いたところ、駆動信号源を分岐することなく簡単な構造で吐出速度のばらつきが１０％以下となり従来品に比べて高精度のヘッドを実現できた。
【００４６】
特に、ランド部の面積をランド部の面積の最小値Ａ１に対する最大値Ａ２の比を１．２〜１．４としたときの各変位素子の静電容量は３６０〜３８０ｐＦ、信号経路の浮遊容量が２０〜３０ｐＦとなり、このような圧電アクチュエータでは応答ばらつきが６％以下、印刷ヘッドにおける吐出速度のばらつきが７％とさらに改善できた。
【００４７】
次に、比較例として、ランド部の面積を一様とした以外は上記した本発明の圧電アクチュエータと同様の圧電アクチュエータを作製した。この圧電アクチュエータでは各変位素子における静電容量が３００〜３３０ｐＦ、信号経路上の浮遊容量は１０〜６０ｐＦであった。また、圧電アクチュエータに最大電圧が３０Ｖで立ち上がり／下がり時間が１〜５μｓの台形波を一律に入力したときの変位の応答時間のばらつきが２５％であった。また、このような圧電アクチュエータを印刷ヘッドに用いた場合、吐出速度のばらつきが２０％であった。
【００４８】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明の圧電アクチュエータでは、圧電アクチュエータの表面に形成された表面電極のうち、ランド部の面積を不均一に形成することにより、圧電アクチュエータを駆動させるためのドライブ回路から表面電極に至る信号経路に発生する浮遊容量の変化による変位挙動のばらつきを低減できる。こうして、本発明の圧電アクチュエータは、印刷ヘッドなどに代表される液体吐出装置を用いたプリンタなどの電子機器に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の圧電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２】図２は、最上層の圧電セラミック層上に形成された表面電極構造を示した平面図である。
【図３】図３は、本発明の圧電アクチュエータ及びこれを用いた液体吐出装置のひとつである印刷ヘッドの概略断面図である。
【図４】（ａ）は従来のインクジェット方式を利用した液滴吐出装置のひとつである印刷ヘッドを示す概略断面図、（ｂ）は、圧電セラミックス層上に形成した駆動部とランド部とからなる表面電極を示す平面図である。である。
【符号の説明】
１、１０１・・・・・・・・・圧電アクチュエータ
５、１１９・・・・・・・・・共通電極
７、１１５・・・・・・・・・表面電極
７ａ、１１５ａ・・・・・・・駆動部
７ｂ、１１５ｂ・・・・・・・ランド部
１３、１０３・・・・・・・・流路部材
１５、１０５・・・・・・・・配線基板
１７、１０７・・・・・・・・ドライブ回路
１９、１２５・・・・・・・・信号経路
【図１】
2005027403.tif 000004
【図２】
2005027403.tif 000005
【図３】
2005027403.tif 000006
【図４】
2005027403.tif 000007