(57)【要約】【課題】変位のバラツキが小さい圧電アクチュエータ装置とこれを用いたインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】金属部材と、該金属部材に接合してなる圧電駆動部を有する厚み１００μｍ以下のセラミック部材と、を具備してなる圧電アクチュエータ装置であって、前記セラミック部材のＸ線応力測定による応力値の最大ばらつきが、該応力の平均値に対して５０％以下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】
金属部材と、該金属部材に接合してなる圧電駆動部を有する厚み１００μｍ以下のセラミック部材と、を具備してなる圧電アクチュエータ装置であって、前記セラミック部材のＸ線応力測定による応力値の最大ばらつきが、該応力の平均値に対して５０％以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ装置。
【請求項２】
前記応力値が圧縮応力であって、全ての前記変位素子について、２０〜２５０ＭＰａ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装置。
【請求項３】
前記金属部材に接着剤を介して加熱接合してなる圧電駆動部を有するセラミック部材表面の接着前後のうねり変化が、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ装置。
【請求項４】
インク流路を形成する金属からなる部材と、前記インク流路に面して前記金属部材に接着剤を介して加熱接合してなる圧電駆動部を有する厚み１００μｍ以下のセラミック部材と、を具備してなるインクジェットヘッドであって、前記セラミック部材のＸ線応力測定による応力値の最大ばらつきが、該応力の平均値に対して５０％以下であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記応力値が圧縮応力であって、全ての前記変位素子について、２０〜２５０ＭＰａであることを特徴とする請求項４記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記金属部材に接着剤を介して加熱接合してなる圧電駆動部を有するセラミック部材表面の接着前後のうねり変化が、５μｍ以下であることを特徴とする請求項４又は５記載のインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電駆動部を有するセラミック部材と金属部材とを接合して形成される圧電アクチュエータ装置およびそれを用いて形成され、文字や画像の印刷に用いるインクジェットヘッド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。
【０００３】
かかる圧電方式の記録装置には、圧電アクチュエータを金属部材に接着してなるインクジェットヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このようなヘッドに用いられる圧電アクチュエータは、隔壁で仕切られた複数のインク流路を備えた金属部材と、各インク流路に対応する開口部に複数の圧電駆動部を有するセラミック部材を熱硬化性樹脂により精度よく接着されている。
【０００５】
また、この金属部材には、あらかじめインク流路に連通するインク供給孔（不図示）とインク吐出孔とが形成され、この圧電駆動部に電圧を印加して変形させ、インク流路に圧力を印加することによって、インク滴をインク吐出孔より吐出させることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−３６５６８号公報  図３
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１００μｍ以下の薄層のセラミック部材と金属部材を、熱硬化性樹脂を用いて接着する場合には、圧電駆動部の圧電特性が大幅に低下し、圧電駆動部の変位が低下する部位が生じ、圧電アクチュエータ装置における変位に大きなバラツキが生じ、これを印刷ヘッドとして使用すると画質が低下するという問題があった。
【０００８】
従って、本発明は、変位のバラツキが小さい圧電アクチュエータ装置とこれを用いたインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミック部材に存在しているうねりが平坦な金属表面に押し付けられて強制的に平坦化されると、その部位には周囲よりも大きな残留応力が発生し、その結果、うねりが矯正された部位に配置された圧電駆動部の圧電特性が大幅に低下して、変位が小さくなるために、変位のバラツキが生じるという新規な知見に基づくものであり、接着前後でのセラミック部材のうねり変化を小さくすることによって、残留応力のバラツキを抑制することができ、その結果、変位バラツキの小さな圧電アクチュエータを実現でき、これを用いたインクジェットヘッドであれば、高精細なインク吐出機能を実現することができる。
【００１０】
即ち、金属部材と、該金属部材に接合してなる圧電駆動部を有する厚み１００μｍ以下のセラミック部材と、を具備してなる圧電アクチュエータ装置であって、前記セラミック部材のＸ線応力測定による応力値の最大ばらつきが、該応力の平均値に対して５０％以下であることを特徴とするものである。このように残留応力のバラツキを低減することによって、圧電特性の面内バラツキを小さくすることができ、圧電駆動による変位の安定した圧電アクチュエータが実現できると共に、この圧電アクチュエータを用いたインクジェットヘッドは、安定したインク吐出性能を発揮できるものである。
【００１１】
また、前記応力値が圧縮応力であって、全ての前記変位素子について、２０〜２５０ＭＰａであることが好ましい。このように、圧縮応力を低減することによって、圧電アクチュエータ装置の変位振動をより安定化することができ、またこのような圧電アクチュエータ装置をインクジェットヘッドに適用することで、さらに優れたインク吐出機能を発揮できることができる。
【００１２】
さらに、前記金属部材に接着剤を介して加熱接合してなる圧電駆動部を有するセラミック部材表面の接着前後のうねり変化が、５μｍ以下であることが好ましい。このようにうねり変化を小さくすることにより、金属部材とセラミック部材との熱硬化性樹脂を用いた接着において、部位による残留応力のばらつき発生を効果的に抑制し、そのばらつきを容易に制御できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電アクチュエータ装置について図１をもとに説明する。
【００１４】
本発明の圧電アクチュエータ装置によれば、圧電駆動部Ａを有する略平板状のセラミック部材１と金属部材２とを具備し、セラミック部材１と金属部材２とは、接着材３を介して接合されている。
【００１５】
より具体的には、圧電駆動部Ａは、圧電セラミック層４と電極層５とが複数層形成してなり、各電極層５は圧電セラミック層４を挟んだ一方の電極を共通の電極とし、他の一方を個別の電極として設けられている。又、複数の共通の電極同士及び複数の個別の電極同士はそれぞれ圧電セラミックス層４を貫通するスルホール電極（図示なし）によって接続されている。なお、圧電セラミック層４は厚み方向に互いに相対する方向に分極してある。
【００１６】
上記圧電駆動部Ａにおける圧電セラミック層４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）、及び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。
【００１７】
また、電極層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ている。
【００１８】
一方、金属部材２には、空間部２ａが設けられ、この空間部２ａを塞ぐように、前記圧電駆動部Ａを有するセラミック部材１が金属部材２に接合されている。
【００１９】
この金属部材２は、圧延法等によって得られたものであり、エッチングにより所定の空間部２ａが設けられている。この金属部材２は、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種によって形成されていることが望ましく、例えば、この金属部材によって、インク流路を形成する場合、インクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましく、特に、Ｆｅ−Ｃｒ系が好ましい。
【００２０】
そして、上記の電極層５間に電圧を印加することによって、圧電セラミック層４が、ｄ３１、ｄ３３、ｄ１５の群から選ばれる少なくとも１種の振動モードによって、セラミック部材１が変位する。
【００２１】
本発明の圧電アクチュエータ装置によれば、上記圧電駆動部Ａを有するセラミック部材１、特に、圧電駆動部Ａにおける圧電セラミックス層４のＸ線応力測定における応力値が、圧電セラミック層４の全面に渡って均一であることが重要である。具体的には、セラミック部材のＸ線応力測定による応力値の最大ばらつきが、該応力の平均値に対して５０％以下であることが要求される。
【００２２】
圧縮応力値のバラツキの範囲が、このような範囲であれば、セラミック部材１の圧電駆動部Ａを構成する圧電セラミック層４が有する圧電特性、特にｄ定数が大きくばらつくことがなく、安定した大きい変位を得ることができる。
【００２３】
つまり、前記応力のばらつきが５０％より大きい、即ち、部位によって残留応力が大きく異なる場合には、圧電駆動部Ａの圧電特性が大幅に低下する部位が生じ、その部分に形成された変位素子の変位が小さく、インク吐出性能が低下するため、高画質の印刷を行うことができない。
【００２４】
より変位ばらつきを小さくするため、残留応力のばらつきは、特に４０％以下、更には３０％以下であることが好ましい。
【００２５】
また、残留応力値は、圧縮応力であることが好ましく、且つその値は２０〜２５０ＭＰａ、特に２０〜２００ＭＰａ、更には２０〜１５０ＭＰａであることが好ましい。このような圧縮応力値の範囲内であれば、残留応力の影響は小さい。即ち、セラミック部材１の圧電駆動部Ａを構成する圧電セラミック層４が有する圧電特性、特にｄ定数が高く、安定した大きい変位を得ることが容易になる。
【００２６】
そして、この圧電アクチュエータを用いたインクジェットヘッドは、安定したインク吐出性能を発揮できるものである。
【００２７】
上記セラミック部材１と金属部材２を接着する接着材としては、周知のものを使用することができるが、セラミック部材１や金属部材２への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１３０〜２５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いて熱硬化温度にまで加熱することでセラミック部材１と金属部材２とを加熱接合することができ、圧電アクチュエータ装置を得ることが出来る。
【００２８】
このような圧電アクチュエータを得るためには、金属部材に接着剤を介して加熱接合してなる圧電駆動部を有するセラミック部材表面の接着前後のうねり変化が、５μｍ以下であることが好ましい。接着前後のうねり変化が５μｍ以下であれば、接着の圧力によって起こるうねりの変化を極小に出来るため、応力の変化を極小にし、前述の応力のバラツキを平均値に対して±５０％の範囲内に調整することも容易になる。
【００２９】
本発明の圧電アクチュエータ装置は、予め圧電セラミック部材のうねりを小さくしておくことが重要である。そのために、例えば、圧電セラミック部材の焼成時に、上下から表面が平滑な重量体で挟みながら焼成することにより、うねりの小さな焼結体を得ることができる。
【００３０】
また、本発明の圧電アクチュエータは、インクジェットヘッドに好適に用いられる。そこで、図２に、本発明の圧電アクチュエータ装置をインクジェットヘッドに適用した実施の形態の概略斜視図を示した。
【００３１】
本発明のインクジェットヘッドにおいては、インク流路１１を有する金属部材１３と、この金属部材１３のインク流路１１に面して、圧電駆動部Ｂを有するセラミック部材１７とが、接着剤１９を介して接合されている。
【００３２】
また、インクジェットヘッドにおける金属部材１３の内部には、隔壁２７を介して、複数のインク流路１１が形成され、このインク流路１１の、セラミック部材１７と対向する側にはインクを噴射するためのインク吐出孔２９が形成されている。
【００３３】
この金属部材１３は、この金属部材１３中にインク流路１１やインク吐出孔２９を形成する場合、無垢のインゴットをくり貫いて形成することもできるが、略平板状の金属部材１３の内部に縦横にインク流路１１を形成する点で、板状の金属部材１３を各層ごとにエッチングや金型加工したものを複数積層して形成する方法が好適に用いられる。
【００３４】
また、この金属部材１３は、圧電アクチュエータ装置を構成するための前記金属部材２と同様の金属であるＦｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種から構成されるが、インク流路のインクに対する耐食性の観点からは、Ｆｅ−Ｃｒ系からなることが望ましい。
【００３５】
一方、セラミック部材１７は、圧電セラミック層３１と電極層３３とが交互に積層されたものであり、このセラミック部材１７の表面、即ち、金属部材１３と対向する圧電セラミック層３１の表面側には圧電駆動部Ｂに電圧を印加し駆動させるための表面電極３５が形成されている。
【００３６】
ここで、本発明のインクジェットヘッドもまた、上記の圧電アクチュエータ装置と同様、セラミック部材１７のＸ線応力測定における応力値の最大ばらつきが、該応力の平均値に対して５０％以下であることが重要である。なお、理由は圧電アクチュエータ装置の場合と同様のため、省略する。
【００３７】
本発明のインクジェットヘッドに用いる圧電セラミック層３１、電極層３３、金属部材１３および接着材１９は、前記圧電アクチュエータ装置を構成するもの同様の材料により構成される。
【００３８】
さらに、上述の本発明の圧電アクチュエータ装置をインクジェットヘッドに用いる場合には、予め金属部材１３にインク流路１１、インク供給孔、インク吐出孔２９を形成しておけばよい。インク流路１１、インク吐出孔２９は全て金属から構成する必要はなく、たとえば、インク吐出孔２９を形成した部材については、ポリイミド等の樹脂材から構成してもよい。
【００３９】
そしてこのようなインクジェットヘッドからインク滴を吐出するには、前述の圧電駆動部Ｂの個別の電極層３３と共通の電極層３３間に電圧を印加して電極間に電界を発生させると、この電界の範囲における各圧電セラミック層が分極方向と直角な方向に伸縮することになるのであるが、この伸縮は、インク流路１１を構成する金属部材１３に拘束されて伸縮が阻害されるため、バイメタルと同様の効果が起こり、伸縮方向に垂直な方向に撓み、インク流路１１の体積を変化させるのである。その際、本発明の圧電アクチュエータ機能を有するセラミック部材１７を用いたインクジェットヘッドであれば、圧電特性を十分に発揮し、安定したインク吐出性能を発揮する。
【００４０】
なお、本発明の圧電アクチュエータ及びそれを用いたインクジェットヘッドは上述の形態に限るものではないのは言うまでもない。
【００４１】
【実施例】
実施例１
圧電セラミックス層に用いる圧電材料をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とし、スラリーを作成し、ロールコーター法にて、グリーンシートを作製した。
【００４２】
ついで金型打ち抜きによってグリーンシートの所望の位置に１００μｍ径の貫通孔を形成し、この貫通孔にＡｇ−Ｐｄ合金からなる導体ペーストを充填するとともに、同じ導体ペーストを用いたスクリーン印刷法でグリーンシート上に内部電極を形成した。
【００４３】
グリーンシートと、表面に電極を形成したグリーンシートを複数積層して密着させ、それを表１の条件で焼成し、一部の試料については焼成後にアニール処理を行った。得られた焼結体の表面に、個別電極を形成し、分極処理を行って、圧電駆動素子を得た。この圧電駆動素子の室温から１５０℃における熱膨張係数は７×１０−６／℃であった。
【００４４】
次に、室温から１５０℃の熱膨張係数が６×１０−６／℃であるＦｅ−Ｎｉ系の金属からなる金属部材を準備し、熱硬化性のエポキシ接着剤を塗布し、圧電駆動素子に２ＭＰａの圧力をかけ、１５０℃の温度下で１０分にて接着を行った。
【００４５】
この時、接着前及び接着後の圧電駆動素子の３次元形状を、レーザー変位計とＸ−Ｙステージを組み合わせた３次元形状測定器を用いて測定した。また、圧電駆動素子の３次元形状から測定値の近似曲面を差し引き、その差分を圧電駆動素子表面のうねりとして算出した。又、接着前後のうねりを比較することによって接着によるうねり変化を算出した。
【００４６】
この時の接着前後の圧電駆動素子にかかる応力を、Ｘ線回折を利用した歪み量から算出した。又、接着前後の圧電駆動部の圧電特性を、インピーダンスアナライザーを用い、１Ｖ、１ＫＨｚでの静電容量を測定し、静電容量の変化率を比較した。
【００４７】
結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
本発明の試料Ｎｏ．２〜３及び６〜８は、残留応力のばらつきが５０％以下で、変位量のばらつきが１０％以下であった。
【００５０】
一方、焼成時に加圧せず、うねりが多いため、接合時にうねり変化が１０μｍと大きく、残留応力のばらつきが６５％と大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１は、変位量のばらつきが２５％と大きかった。
【００５１】
また、セラミック部材の厚みが２００μｍと大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．５は、残留応力ばらつきは３１％と小さかったが、セラミック部材の厚みが厚いため、変位量が３５ｎｍと小さかった。
【００５２】
実施例２
次に、実施例１の試料Ｎｏ．１及び４の圧電アクチュエータ装置をインクジェットヘッドに用い、インク吐出を行った実施例を示す。
【００５３】
先ず、インク流路とインク供給孔をエッチング法によって形成したＦｅ−Ｎｉ系金属からなる板と、同じくインク吐出孔をエッチング法によって形成したＦｅ−Ｎｉ系金属からなる板を熱硬化性のエポキシ樹脂接着剤にて接着し金属部材を得た。
【００５４】
次に上述の金属部材のインク流路開口面側に熱硬化性のエポキシ接着剤を塗布し、上述の圧電駆動素子の圧電駆動部をインク開口部に相対するように精度よく位置決めし、圧電駆動素子に２ＭＰａの圧力をかけ、１５０℃の温度下にて接着を行い、インクジェットヘッドを作製した。
【００５５】
そして、インク流路に、図１に不図示のインク供給孔よりインクを充填しておき、電圧２０Ｖを印加し、周波数２０ＫＨｚで圧電アクチュエータを駆動させ、インク滴をインク吐出孔から吐出させ、インク滴の吐出速度を測定し評価した。
【００５６】
なお、測定に当たっては、高速度のストロボ撮影装置を有したカメラを用いて画像処理を行い、インク滴の吐出速度を測定した。また、インク吐出孔は縦１０個、横３０個をマトリックス状に配列し、任意の３０個のインク吐出孔からの吐出速度を測定して平均値及びばらつきを算出した。ばらつきは、各測定値Ｗに対する平均値Ａを得た時、（Ｗ−Ａ）／Ａの絶対値の最大値をパーセントで表したものである。
【００５７】
その結果、本発明の試料Ｎｏ．４を用いたインクジェットヘッドでは、インク吐出速度についてのインク吐出孔（変位素子）間の吐出バラツキが、８％であったのに対して、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１を用いたインクジェットヘッドでは、インク吐出速度についてのインク吐出孔（変位素子）間の吐出バラツキが、２８％であり、本発明のインクジェットヘッドは、変位素子間の変位にバラツキが小さいため、インク吐出孔間での吐出ばらつきが小さく、安定したインク吐出を示した。
【００５８】
【発明の効果】
本発明は、金属部材と圧電駆動部を有するセラミック部材との加熱接合時に、セラミック部材に発生する残留応力のばらつきを低減することにより、セラミック部材の圧電特性のバラツキを小さくすることができる。また、圧電駆動による変位の安定した圧電アクチュエータ装置を得ることが出来ると共に、この圧電アクチュエータを用いたインクジェットヘッドは、均一で安定したインク吐出性能を発揮できるものである。
【００５９】
また、上記加熱接合前後におけるセラミック部材のうねり変化を５μｍ以下に制御することによって、うねり矯正によって不均一に発生する残留応力を小さく保ち、そのバラツキを容易に小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータ装置の断面模式図である。
【図２】本発明のインクジェットヘッドの要部を部分破断した概略斜視図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ・・・圧電駆動部
１、１７・・・セラミック部材
２、１３・・・金属部材
３、１９・・・接着材
４、３１・・・圧電セラミック層
５、３３、３５・・・電極層
【図１】
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【図２】
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